Soutenance mémoire
Performances et commande de la GADA
Tel que mentionné précédemment, le principal avantage de la GADA, et ce qui l’a rendue populaire, est l’équipement électronique de puissance qui traite une fraction de la puissance totale du système. Comme le montre la figure 2.5, l’interface d’électronique est constituée de deux convertisseurs de tension à interrupteurs qui peuvent être commandés à la fermeture et à l’ouverture, et qui fonctionnent indifféremment en mode redresseur ou onduleur. En dehors de la réduction des coûts, les pertes dans les équipements électroniques de puissance de la GADA peuvent être réduites comparativement aux pertes dans les équipements électroniques d’un système avec une MS à entraînement direct.
Les références [8], [30] et [31] font partie des premiers travaux sur la topologie récente de la GADA, présentée dans la figure 2.5. Puisque le stator est directement connecté au réseau, la vitesse synchrone de la machine est fixée par la fréquence des tensions au rotor. Cependant, à l’opposé de la machine asynchrone à cage, il existe théoriquement une grande plage de points d’opérations couple-vitesse, ce qui permet le fonctionnement à couple-vitesse variable dans les quatre quadrants.
Lorsque la machine se trouve intégrée dans un réseau électrique, le principal objectif du contrôleur est de commander les puissances active et réactive statoriques de la GADA. Hormis la maîtrise du facteur de puissance, le but est d’améliorer les performances vis-à-vis de la robustesse, la stabilité du système global et la qualité de l’énergie échangée entre la GADA et le réseau électrique.
Dans la topologie du système de la figure 2.5, on constate que le fonctionnement de la GADA connectée au réseau nécessite une attention particulière. Ainsi, la tendance de la recherche actuelle est l’étude de l’intégration et de l’interaction des éoliennes avec le réseau électrique en tenant compte de leurs problèmes de fonctionnement en présence de perturbations électriques. Cet aspect a été étudié par de nombreux auteurs dont la plupart étaient portés sur les sujets de la qualité d’énergie, de stratégies de contrôle et d’intégration de nouveau matériel sur le système éolien. Un grand nombre de champs d’intérêt concernant la GADA est présenté dans la revue de littérature de plusieurs études notamment dans les références [9], [18], [22].
L’objectif principal du système de contrôle d’une GADA est de maximiser la rentabilité de la production d’énergie échangée avec le réseau. Les travaux portent généralement sur le fonctionnement, la topologie, la modélisation et la stratégie de commande, et peuvent être classés comme suit:
• étude des performances sur le fonctionnement de la GADA, la modélisation et la stabilité ;
réduction des contraintes mécaniques, en particulier celles résultant des pulsations de couple provoquant des pannes coûteuses du multiplicateur de vitesse ;
• amélioration de la qualité de l’énergie en lissant la puissance échangée avec le réseau, et en réduisant les fluctuations de tension au point d’interconnexion au réseau ;
• topologies et dimensionnement des convertisseurs de puissance ;
• stratégies de contrôle telles l’orientation du flux, la commande directe des puissances, les lois de commande intelligentes;
• estimation des différents paramètres de la machine ;
conformité avec les codes de réseau récents et support du réseau lors de situations critiques comme les perturbations du réseau ;
• intégration de la GADA dans le réseau électrique.
La présence des convertisseurs au rotor rend le contrôle de la GADA plus compliqué que celui d’une machine asynchrone à cage. En revanche, ceci offre des possibilités de contrôle extrêmement utiles et une grande souplesse vis-à-vis des modes de fonctionnement. En effet, la commande du convertisseur côté rotor de la GADA permet le contrôle de la puissance générée au stator. Ainsi, il s’agit en fait de contrôler le couple de la génératrice afin d’obtenir la vitesse de rotation désirée. Or, étant donné que la dynamique des grandeurs électriques est plus rapide que celle des grandeurs mécaniques, il est avantageux de contrôler la machine par une structure de régulation en cascade avec des boucles imbriquées.
La littérature nous apporte beaucoup de solutions applicables à la commande de la GADA. Notre étude se limite à la citation de quelques travaux liés à l’aspect contrôle des puissances active et réactive de la GADA. Il existe essentiellement deux grandes familles distinctes de techniques visant à contrôler le facteur de puissance statorique de la machine. La première utilise l’orientation du flux statorique de la machine, alors que la deuxième dite commande directe est basée sur la modulation vectorielle ainsi que des boucles internes de régulation à hystérésis.
La commande vectorielle (Vector Control, VC ) par l’orientation du flux statorique est la technique de commandes la plus utilisée conjointement à l’utilisation d’un référentiel généralement tournant [8], [9], [6]. Etant donné que la GADA est utilisée à l’échelle de grande puissance, la résistance du stator devient relativement très petite (par rapport à la machine d’une petite puissance), elle peut être donc négligée. De ce fait, l’orientation du flux statorique peut être remplacée par une orientation de la tension statorique [34]. Cette technique de commande vectorielle constitue toujours un point d’entrée pour la conception et pour l’analyse des différents modes de fonctionnement. Elle est apparue grâce aux travaux de R. H. Park dans lesquels il introduit un changement de variables pour le modèle mathématique de la machine électrique [35]. Le but est d’éliminer les inductances variables dans le temps des équations dynamiques, en tenant compte de quelques hypothèses simplificatrices. Ainsi, en considérant le système équilibré des tensions, le changement de variables transforme le système triphasé en un système biphasé possédant deux composantes : directe et indirecte.
Dans un référentiel synchrone, le découplage des courants rotoriques mène à un découplage des puissances active et réactive. En effet, dans le cas d’une orientation du flux statorique de la GADA, la composante en quadrature du courant contrôle la puissance active et la composante directe contrôle la puissance réactive. Cette dépendance est le contraire dans le cas d’une orientation de la tension statorique [36]. Cependant, la performance de la régulation qui utilise des correcteurs de type proportionnel-intégral (PI) repose fortement sur la connaissance précise des paramètres de la machine. Or, la dépendance vis-à-vis de la variation paramétrique dégrade les performances de la commande lors de la variation des paramètres électriques et mécaniques de la GADA [8], [22], [37], [38].
Les commandes de la deuxième famille sont relativement récentes et ont fait leur apparition dans les années 1980 sous le nom de Direct Torque Control (DTC) [39]. Ce type de commande est capable de contrôler à la fois le couple de la machine ainsi que son flux d’une manière encore plus précise, plus rapide et plus robuste, comparativement à la commande vectorielle, et ce, avec un algorithme de contrôle simplifié et moins dépendant des paramètres de la machine [40]. La commande directe de puissance (DPC) suit la même philosophie que celles du DTC. Elle a le mérite d’être plus avantageuse pour la commande des puissances de la GADA, ayant une complexité de calcul faible, une réponse transitoire rapide et une faible dépendance du modèle de la machine [40], [41]. Cependant, à l’opposé de la commande vectorielle, les états des interrupteurs de puissance sont déterminés instantanément par la comparaison des références avec les mesures sans recourir à la modulation par largeur d’impulsion. Ainsi, bien que cette commande soit moins dépendante des paramètres du système, il lui manque la souplesse qui caractérise la commande vectorielle [9], [42].
Comme alternative aux types de commande basés sur la VC et le DTC, et dans l’objectif d’améliorer les performances de la commande, plusieurs types de commande sont appliqués sur la GADA. Parmi ces techniques, la commande dite de contrôle prédictif (Model Predictive Control, MPC) est considérée comme une technique de commande avancée de processus automatiques [43], [44]. [45], [46]. L’idée principale de ce type de commande est d’utiliser un modèle dynamique du processus à l’intérieur du contrôleur en temps réel afin de prédire le comportement du procédé, d’élaborer une séquence optimale de commandes anticipées satisfaisant les contraintes et minimisant une fonction coût, d’appliquer le premier élément de la séquence optimale sur le système et de répéter la procédure complète à la prochaine période d’échantillonnage [47]. Cette technique est particulièrement intéressante lorsque les systèmes possèdent des retards importants, des réponses inverses et de nombreuses perturbations.
La commande prédictive a connu une grande évolution depuis son apparition à partir des années 1970. En fait, de multiples stratégies prédictives (Dynamic Matrix Control –DMC-, Extended Prediction Self-Adaptive Control –EPSAC-, Generalized Predictive Control –GPC-, Predictive Functional Control –PFC-, etc.) ont prouvé leur capacité à garantir des performances accrues pour différent systèmes. Bien que la méthode ait fait preuve d’une grande réussite, elle s’applique beaucoup plus dans le domaine des systèmes lents qui ne nécessitent pas obligatoirement de très grandes fréquences d’échantillonnage, comme dans le cas du domaine des procédés chimiques. Or, pour les systèmes rapides échantillonnés à haute fréquence comme dans le cas de la machine électrique, la solution numérique en ligne du problème d’optimisation peut être impraticable à cause du temps d’exécution exigé par la commande en temps réel. Au cours des dernières années, plusieurs chercheurs se sont intéressés à trouver une solution à cet inconvénient principal de la commande MPC [45], [48], [49], [50].
En plus de la commande prédictive, les commandes de type intelligent sont aussi appliquées sur la GADA comme le montrent les références [51], [52]. En effet, les auteurs utilisent une commande adaptative, la logique floue et les réseaux de neurones pour la régulation des puissances de la GADA. Les résultats font preuve de très bonnes performances en termes de régulation des puissances. D’autres auteurs proposent la commande de type algorithme génétique qui est utilisée également afin d’améliorer le comportement dynamique de la GADA [53].
Conjointement aux différents types de commande qui ont connu un essor considérable durant les dernières décennies, la commande dite par mode glissant (Sliding Mode Control, SMC) trouve une bonne place dans la littérature. La théorie de ce type de commande a été étudiée et développée lors des années 1960 en Union soviétique, d’abord par le professeur Emelyanov et ensuite par d’autres collaborateurs comme Filippov, et Utkin [54]. Depuis, le spectre de son utilisation a été élargi à une plus grande classe de systèmes comprenant les systèmes linéaires, non linéaires, discrets, multi variables et modèle imprécis.
Ce n’est qu’à partir des années 1980 que la commande par mode glissant est devenue intéressante et attrayante, conjointement à l’avancement de l’électronique de puissance. Ainsi, elle a gagné une grande popularité en raison de sa simplicité et de son efficacité. En effet, il s’agit d’une commande non linéaire basée sur la commutation d’une fonction des variables d’état. De ce fait, les commutations sont utilisées pour créer une hypersurface de glissement, dont le but est de forcer la dynamique du système à correspondre avec celle définie par l’équation de l’hypersurface. Quand l’état est maintenu sur cette hypersurface, le système se trouve en régime glissant. Sa dynamique est alors insensible aux perturbations extérieures et paramétriques, tant que les conditions du régime glissant sont assurées [54], [55].
La commande par mode glissant est considérée comme l’une des approches les plus simples pour la commande des machines électriques en tant que systèmes non linéaires ayant un modèle imprécis. La référence [56] compte parmi les travaux qui traitent de la loi de commande par mode glissant appliqué sur la GADA en vue d’améliorer la qualité de l’énergie éolienne. Dans cette référence, les deux techniques de commande directe et indirecte des puissances sont bien détaillées. La démarche utilisée pour l’implantation de la loi de commande mène uniquement à quelques résultats très primitifs concernant les régulateurs PI.
En effet, l’utilisation du contrôleur ADSP-BF527 pour entrainer la GADA n’était pas avantageux vis-à-vis de la commande d’un convertisseur d’électronique de puissance. De plus, l’auteur s’intéresse uniquement à la commande du convertisseur côté rotor de la machine en négligeant l’utilisation et la commande d’un convertisseur côté réseau, comme c’est le cas dans la plupart des travaux en littérature. Aussi, la théorie de la loi de commande par mode glissant était proposée comme alternative de PI pour réguler le facteur de puissance au stator de la machine. Le but était d’utiliser la technique du mode glissant pour améliorer la qualité d’énergie échangée avec le réseau par la machine. Ainsi, l’auteur met l’accent sur l’étude de la GADA comme un filtre actif et en tant que système de stockage, moyennant une série de simulations effectuées sur le logiciel MATLAB [6], [37], [33].
Dans la pratique, l’utilisation de la commande par mode glissant a été longtemps limitée par les oscillations liées aux commutations de la commande, qui peuvent se manifester sur les grandeurs asservies. Depuis, de nombreuses solutions ont été proposées permettant de réduire ces oscillations, soit
l’augmentation de la fréquence de commutation ;
la commande continue dans une bande autour de la variété de glissement ;
la décomposition de la commande en une composante continue de basse fréquence et une commande discontinue de haute fréquence ;
la méthode de la couche limite dans laquelle la composante discontinue de la commande est remplacée au voisinage de l’hyper surface de glissement par une fonction continue [55], [57].
En régime normal de fonctionnement comme en régime perturbé, la commande par mode glissant est considérée parmi les techniques avancées utilisées pour les systèmes non linéaires. Ainsi, cette commande peut contribuer significativement à améliorer le comportement dynamique de la machine électrique. De plus, elle est très appropriée pour le contrôle des convertisseurs d’électronique de puissance [55]. Dans la littérature, on trouve des références qui montrent également l’efficacité de la commande en régime transitoire faisant suite à un défaut triphasé dans le réseau [42], [33], [58]. La comparaison avec les régulateurs PI à l’aide de simulations met en évidence les performances de la SMC en termes de simplicité et de robustesse.
D’autre part, même si les différentes stratégies de commande proposées dans la littérature sont efficaces autant en régime permanent qu’en régime transitoire, elles sont néanmoins toujours dépendantes de l’angle de transformation de Park. Sachant que la commande par mode glissant appliquée sur la GADA utilise le même principe de découplage que la commande vectorielle, elle est formulée selon les deux axes d et q issus de la transformation de Park. Cette méthodologie de formulation rend la loi de commande très dépendante de l’angle des tensions d’alimentation. Or, l’estimation de l’angle électrique avec une précision suffisante constitue la principale difficulté lors de l’application des transformations trigonométriques de Park.
L’estimation de cet angle est généralement réalisée à travers une boucle de verrouillage (PLL), tel que mentionné dans le chapitre précédent. Cependant, cette méthode présente un grand inconvénient, particulièrement lors de la réalisation pratique, à cause de la grande dépendance de cet angle à la tension du réseau [59]. Ainsi, la loi de commande devient très sensible aux perturbations qui peuvent être produites dans le réseau auquel la machine est connectée.
Plusieurs chercheurs se sont intéressés aux améliorations des techniques d’estimation de l’angle des tensions. Même si les techniques proposées ont réussi à rendre la technique de commande plus robuste, elles compliquent davantage la loi de commande lors de l’implémentation expérimentale.
Comme alternative, les références [57], [60] et [61] proposent une méthodologie pour la formulation de la loi de commande dans un référentiel stationnaire, au lieu de passer par un référentiel synchrone. Cette stratégie rend la loi de commande beaucoup plus robuste, plus simple du point de vue implémentation, et ne nécessite aucune synchronisation. De plus, avec le grand gain issu de la loi de commande du mode glissant, la machine peut surmonter un court-circuit sur le réseau (de courte durée) pour revenir à son état initial de fonctionnement sans déconnection de la génératrice du réseau. En effet, la variation de la valeur du gain agit sur le temps de réponse du système ce qui influence le suivi des références des puissances et, par conséquent, améliore le comportement de la GADA en régime transitoire [57], [62].
Commande du convertisseur côté réseau
Dans le but d’assurer une commande entière pour le système machine-convertisseurs, la commande du convertisseur côté réseau devient très importante, voire indispensable, pour assurer l’échange bidirectionnel de la puissance de glissement entre la machine et le réseau.
La figure 2.6 présente le schéma de connexion usuel pour le convertisseur CA/CC à modulation de la largeur d’impulsion (MLI) vectorielle. Cette topologie est une solution de plus en plus intéressante en raison de plusieurs avantages tels que :
• faible distorsion harmonique du courant du réseau ;
• maîtrise du facteur de puissance ;
• puissance bidirectionnelle ;
• régulation de la tension côté continu et des puissances active et réactive ;
• compensation des harmoniques dans le réseau.
Grâce à l’évolution des dispositifs semi-conducteurs et à l’avancement des techniques numériques au cours des dernières années, plusieurs méthodes de commande ont été développées pour les convertisseurs d’électronique de puissance, ce qui offre la possibilité de l’implémentation des algorithmes de contrôle plus sophistiqués [5], [61], [63]. Le but est de faire fonctionner le convertisseur adopté à haut rendement énergétique, et absorber un courant ayant un minimum de distorsion harmonique. Il est également indispensable que le convertisseur parvienne à maintenir un fonctionnement adéquat en régime permanent sur toute la plage de fonctionnement, variant du fonctionnement à vide jusqu’à la puissance nominale. De plus, en régime transitoire, il doit atteindre les performances désirées sous différentes perturbations de la source d’alimentation et des variations paramétriques. Pour y arriver, un choix judicieux d’une ou de plusieurs techniques de commande s’impose.
Comme le montre la figure 2.6, le convertisseur côté réseau est généralement configuré pour opérer une régulation de la tension du lien CC et du facteur de puissance côté réseau, quel que soit le mode d’opération de la GADA. De plus, les nouveaux codes de réseaux électriques exigent des normes spécifiées pour la connexion au réseau des sources d’énergie renouvelable, ce qui nécessite plus de capacité et de flexibilité pour contrôler le système dans différentes conditions de fonctionnement.
Afin de satisfaire les exigences de la commande en terme de robustesse et d’efficacité, de nombreuses études pertinentes ont été proposées dans la littérature [65]. Généralement, les lois de commande sont élaborées en se basant sur l’une des deux grandes familles de commande pour le convertisseur CA/CC, à savoir la commande vectorielle et la commande directe des puissances. La commande des puissances de type directe utilise généralement des régulateurs non linéaires à hystérésis et des tables de commutation [66]. L’avantage majeur de cette commande est la réponse rapide et la robustesse par rapport à la variation des paramètres. Cependant, les principaux inconvénients de ce type de contrôle sont la commutation variable et la présence de taux de distorsion harmonique considérables. En revanche, les méthodes basées sur l’orientation de la tension du réseau [67], [32] ou l’orientation du flux virtuel [68] sont les stratégies de commande les plus populaires. Avec une méthodologie similaire à la commande de la GADA, l’orientation de la tension ou flux (virtuel) est utilisée pour régler les puissances active et réactive directement ou indirectement à travers les courants, comme le montrent les références [69], [70].
Dans le cas de la commande indirecte, les puissances active et réactive sont utilisées pour obtenir les références des courants actif et réactif, respectivement (selon les deux axes d et q). Par la suite, le régulateur PI agit directement sur les erreurs issues de la différence entre les consignes désirées et celles mesurées. Le succès de cette stratégie repose sur la simplicité de sa mise en oeuvre. Cependant, l’utilisation des régulateurs PI rend la régulation imprécise, et peut même devenir instable dans certaines conditions de fonctionnement [71].
Une autre méthode basée sur la commande prédictive des puissances est proposée par quelques références [72], [73], [74]. Pour cette commande, tel que mentionné précédemment dans la section 2.4, la tension appliquée par le convertisseur est sélectionnée à travers la minimisation d’une fonction de coût basée sur un modèle prédictif.
Par ailleurs, similairement à la stratégie de la commande par mode glissant utilisée pour la GADA, le convertisseur côté réseau pourrait être commandé avec le même type de commande. En effet, la référence [63] propose une commande basée sur le mode glissant formulée dans un référentiel stationnaire au lieu d’un référentiel synchrone. Cette commande met en évidence de bonnes performances comme le démontrent les auteurs. Cependant, étant donné qu’elle est basée sur des commutations entre deux états différents, l’inconvénient majeur de ce type de commande est lié aux problèmes engendrés par les commutations à hautes fréquences [55]. Ce phénomène, dit chattering, est lié principalement aux commutations des interrupteurs d’électronique de puissance. Or, l’avancement de l’électronique de puissance et de l’électronique numérique nous a permis, ces dernières années, d’atteindre facilement des fréquences de commutation très élevées, de quelques dizaines de kHz [69], ce qui diminue considérablement les obstacles liés aux commutations des interrupteurs d’électronique de puissance.
Conclusion
Après un rappel des différents types des machines électriques utilisées pour la production de l’énergie éolienne, dans ce chapitre, on s’est principalement intéressé à quelques travaux liés à la commande de la GADA. Il ressort tout de même de cette revue bibliographique que les études entreprises sur la GADA se sont majoritairement concentrées sur une topologie utilisant deux convertisseurs d’électronique de puissance en cascade, dimensionnés à une fraction de la puissance nominale de la machine. En plus de la puissance réduite des convertisseurs, le choix de cette topologie est justifié par la grande souplesse que présente la machine du point de vue de la reconfiguration.
Au cours de cette étude bibliographique, on a passé en revue quelques études concernant différentes variantes des types de commande appliqués sur la GADA. Plus précisément, nous avons fait un état de l’art des travaux qui ont retenu notre attention vis-à-vis du fonctionnement adopté, la technique de commande utilisée et les résultats obtenus.
Dans le but de maîtriser le facteur de puissance du côté stator et du côté rotor de la machine, la commande vectorielle associée à des régulateurs PI a servi comme une commande de base pour assurer le découplage entre les deux puissances active et réactive échangées avec le réseau. Plusieurs commandes sont proposées dans la littérature comme alternatives et, parmi elles, nous avons retenu la commande robuste par mode glissant.
COMMANDE VECTORIELLE DE LA MACHINE ASYNCHRONE À DOUBLE ALIMENTATION
Introduction
Tel que mentionné précédemment, on retient dans notre travail la topologie usuelle de configuration pour la connexion de la GADA au réseau. Ainsi, le rotor de la GADA est connecté au convertisseur d’électronique bidirectionnel afin d’échanger la puissance dite de glissement avec le réseau. Bien que les deux convertisseurs soient identiques du point de vue réalisation et mode de commutation, leur commande diffère selon le mode de fonctionnement désiré. Dans ce chapitre, on s’intéresse à l’élaboration de la commande pour le convertisseur côté rotor de la GADA. À cet effet, on présentera les détails sur le fonctionnement, la modélisation et la commande de la GADA.
Comme tout système dynamique, nous devrons disposer d’un modèle mathématique qui représente d’une manière satisfaisante le comportement réel de la GADA. Nous débuterons par une définition du modèle mathématique de la machine en exprimant les équations électriques, magnétiques et mécaniques qui régissent le fonctionnement de la machine. Par la suite, à l’aide de la transformation de Park, on obtient un modèle de la GADA dans le référentiel biphasé noté usuellement (dq). Ensuite, nous aborderons la commande vectorielle qu’est sélectionnée comme point d’entrée puisqu’elle constitue, en quelque sorte, une source de littérature classique. En tant que méthode la plus répandue, l’orientation du flux statorique de la GADA est utilisée pour réaliser le découplage des puissances active et réactive échangées avec le réseau. Enfin, les performances du modèle élaboré seront envisagées sous différentes conditions moyennant une série de simulations réalisées à l’aide du logiciel MATLAB/SIMULINK.
Principe de fonctionnement et performances de la GADA
La GADA est identique à la machine asynchrone triphasée sauf que le rotor possède des enroulements, similaires à ceux du stator, connectés au réseau par l’intermédiaire d’un système redresseur – onduleur qui assure une alimentation à tension et fréquence variables. Cette topologie dite de Sherbius permet d’adapter la fréquence des courants rotoriques à celle du réseau électrique selon la vitesse de rotation imposée [8]. Les détails du principe de fonctionnement, la modélisation et le principe de la commande pour la structure se trouvent dans les références [5], [56]. Ainsi, on se limitera dans cette session à la présentation d’un résumé concernant le modèle électromécanique de la machine.
Selon le schéma de la figure 3.1, l’alimentation du rotor de la GADA est assurée par les deux convertisseurs bidirectionnels afin d’échanger la puissance dite de glissement avec le réseau. Cette structure utilise deux onduleurs de tension en cascades équipés d’IGBT et connectés par l’intermédiaire d’un lien CC. Ainsi, le contrôle d’écoulement de la puissance nous permet de fixer le point de fonctionnement désiré de la machine. En effet, la relation entre les puissances rotorique et statorique est donnée par [5]:
Modèle mathématique de la GADA
Comme tous les systèmes physiques qui nécessitent une modélisation, celle-ci permet de simuler le comportement de ce système face à différentes sollicitations. On distingue deux modèles mathématiques qui représentent la machine, à savoir le modèle élaboré dans le référentiel abc (modèle triphasé) découlant des équations différentielles qui régissent le fonctionnement de la machine et le modèle issu de la transformation de Park ou de Concordia (modèle biphasé) utilisé couramment pour étudier les machines électriques.
La figure 3.2a représente l’enroulement statorique et l’enroulement rotorique triphasé de la GADA. Nous allons établir le modèle mathématique de la même manière que celui de la machine asynchrone (à rotor en court-circuit) en considérant la tension rotorique non nulle [5], [11], [56]. Ainsi, les hypothèses simplificatrices suivantes sont prises en compte:
Contrôle vectoriel découplé des puissances active et réactive
Le but de la commande vectorielle est d’arriver à commander la machine asynchrone comme une MCC à excitation indépendante où il y a un découplage naturel entre la grandeur commandant le flux (le courant d’excitation) et celle liée au couple (le courant d’induit). Cependant, au lieu de réaliser le découplage entre le flux et le couple électromagnétique, la commande de la GADA a pour but de contrôler indépendamment les puissances active et réactive. Dans cette optique, on se base sur l’orientation du flux statorique pour mettre en évidence les relations entre les puissances statoriques et les tensions rotoriques générées par le convertisseur d’électronique de puissance côté rotor.
Si on se base sur le modèle biphasé déjà établi, la méthode du flux orienté choisi, consiste à aligner l’axe d pour qu’il coïncide avec la direction du flux statorique. Comme le montre la figure 3.3, cette orientation nous permet d’écrire les deux composantes du flux comme suit :
En plus de la régulation des puissances, la vitesse de rotation peut être contrôlée avec une boucle externe qui possède un dynamique un peu plus lente par rapport au dynamique des courants. Ainsi, la puissance active et la composante quadrature du courant dépendent directement du comportement de la vitesse mécanique de rotation. Comme le montre le diagramme de la figure 3.5, la régulation de la vitesse et des puissances se réalise en deux boucles imbriquées. En effet, la référence de la composante quadrature du courant qr I est issue de la régulation de la vitesse, alors que la composante dr I fixe principalement le facteur de puissance au stator.
Résultats de simulation
Dans le but d’évaluer les performances du modèle et la régulation établie dans ce chapitre, on procède à une série de simulations sous environnement MATLAB/Simulink. On utilisera les schémas synoptiques de la figure 3.5 pour vérifier le bon fonctionnement de la commande appliquée sur la GADA. Il est à noter que les paramètres de la génératrice asynchrone à rotor bobiné représentent la machine asynchrone disponible au laboratoire de génie électrique de l’UQAT (Annexe 1).
Comme le montre la figure 3.5, le modèle de simulation réalisé contient deux parties, à savoir la partie de puissance et la partie de commande. La machine et le convertisseur d’électronique de puissance (à IGBT) qui représentent la partie puissance sont simulés en utilisant le module SimPowerSystems alors que la commande est réalisée en utilisant un code listing sous forme d’une fonction Matlab.
La commande nécessite la validation de trois parties principales, soit l’acquisition des mesures, la régulation et la génération des signaux MLI à partir de la tension de la commande calculée. Le programme de simulation s’exécute en temps discret à pas fixe : 50 μs. Ce pas de discrétisation est utilisé aussi pour la partie mesure et pour la génération des signaux de commande MLI pour le convertisseur d’électronique de puissance. Selon la figure 3.5, la loi de commande vectorielle utilise deux boucles de régulation, à savoir la boucle de régulation des puissances qui s’exécute en même temps que le pas de discrétisation du programme général et la boucle de régulation de la vitesse qui s’exécute moins vite relativement à la régulation des puissances. Ainsi, on a choisi un temps d’échantillonnage 32 fois par rapport au temps d’échantillonnage utilisé pour la boucle des puissances (en respectant le théorème de Shannon) [76].
Côté rotor de la GADA, la tension du lien CC est considérée constante, et le réseau auquel la machine est connectée est considéré comme idéal, à l’exception d’un intervalle de temps de 500ms. En effet, pour l’intervalle de temps entre les deux instants 3.5s et 4s, on applique un défaut triphasé qui produit un creux de tension de 80 %. Par ailleurs, afin de vérifier le comportement de la machine on a imposé trois échelons de référence :
• échelon qui fait varier la vitesse de 170rad/s à 190rad/s à l’instant t=1s (sachant que la vitesse de synchronisme correspond à 188 rad/s) ;
• échelon qui fait varier la puissance réactive de 50 VAR à 0 à l’instant t=2s ;
• Échelon qui fait varier le couple mécanique d’entraînement de 6 Nm à 9 Nm (signe négatif) à l’instant t=3s.
Les figures 3.6a et 3.6b représentent le comportement de la vitesse et de la puissance réactive à la suite de l’application des échelons de référence, respectivement. On constate le bon suivi et l’indépendance des deux grandeurs. Suite aux variations du couple mécanique appliqué sur la GADA (figure 3.6c), on constate que le couple électromagnétique issu de la régulation de vitesse (figure 3.6d) demeure indépendant de la variation de la puissance réactive. Également, on remarque que la variation de la puissance active dans la figure 3.6e suit les variations du couple, ce qui démontre le découplage entre les deux puissances, active et réactive.
Pour les grandeurs du couple électromagnétique et de la puissance active, on constate la présence d’un pic transitoire qui accompagne la variation de la vitesse. Ainsi, un limiteur, sous forme d’une fonction de saturation, peut être introduit au niveau de la boucle externe de commande pour empêcher le transitoire violent. En revanche, la boucle de régulation interne des puissances peut être influencée, ce qui ralentit le temps de réponse des puissances.
La figure 3.6f présente l’évolution du glissement qui, de par sa nature dépend uniquement de la variation de la vitesse. Par ailleurs, les figures 3.6g et 3.6h montrent la dynamique des deux composantes du courant rotorique selon les deux axes q et d, respectivement. On observe que l’évolution des deux composantes, qui suit la dynamique des puissances, montre une indépendance entre les courants des deux axes d et q, ce qui indique le découplage entre les deux axes.
L’évolution des courants statorique et rotorique de la machine est représente dans les figures 3.6i et 3.6j, respectivement. On constate que le courant statorique dépend essentiellement de la variation du couple d’entraînement mécanique et que la fréquence du courant rotorique est liée principalement à la variation de la vitesse mécanique de rotation.
Sur la figure 3.6k, on présente l’angle de rotation mécanique, qui est issu de l’intégration de la vitesse, et l’angle de champ statorique, qui est issu de la PLL. Pour mieux faire ressortir l’évolution des deux angles, on a choisi de faire apparaître uniquement un intervalle de temps de 0.2s. En conséquence, l’angle de glissement issue de la différence entre les deux angles est présenté sur la figure 3.6l. Cette dernière figure illustre bien la dépendance de l’angle de glissement à la variation de la vitesse de rotation.
Conclusion
Dans ce chapitre, on a exposé le principe de la modélisation et de la commande vectorielle en utilisant l’orientation du flux statorique. Cette commande est appliquée depuis quelques années à la GADA, et elle reste la méthode la plus répandue. En effet, elle nous permet non seulement de simplifier le modèle de la machine mais aussi de découpler la régulation de la puissance active et de la puissance réactive.
Les résultats de simulation de la GADA ont permis de déterminer et d’analyser le comportement dynamique de différents régimes de fonctionnement. Moyennant des régulateurs PI, la technique d’orientation du flux statorique permet de découpler les puissances de sorte que la composante directe du courant rotorique contrôle la puissance réactive, et la composante en quadrature contrôle la puissance active.
La régulation des puissances statoriques se réalise en modifiant l’amplitude et la fréquence des tensions imposées par le convertisseur d’électronique côté rotor de la machine. Or, dans l’objectif de répondre aux exigences du gestionnaire du réseau, et afin de donner plus de flexibilité à la GADA, on doit maîtriser la puissance rotorique en tenant compte de la commande du convertisseur côté réseau. Celle-ci sera traitée dans le chapitre suivant.
COMMANDE DU CONVERTISSEUR CÔTÉ RÉSEAU DE LA MACHINE
Introduction
Étant donné que la machine doit être utilisée en mode de vitesse sous-synchrone ou super-synchrone selon différentes vitesses d’entraînement, la configuration des convertisseurs CA/CC/CA devient nécessaire en raison de leur capacité de fonctionnement bidirectionnel.
L’équipement d’électronique de puissance est constitué de deux convertisseurs identiques CA/CC connectés en cascade via un lien CC associé à un condensateur. Comme on l’a déjà présenté dans le chapitre précédent, la commande du convertisseur côté rotor de la GADA a pour but de réguler les puissances statoriques de la machine. Par contre, l’objectif principal du convertisseur côté réseau est de contrôler la tension du lien CC et le facteur de puissance côté réseau. Ainsi, dans ce chapitre, le convertisseur côté réseau considéré est bidirectionnel puisqu’il joue le rôle d’un redresseur MLI et d’un onduleur MLI selon la direction de l’écoulement de la puissance échangée avec le réseau.
Le modèle du convertisseur triphasé, commandé en MLI vectorielle, est d’abord établi dans un référentiel abc, puis transformé en référentiel synchrone dq pour simplifier la conception des contrôleurs de type PI. On procède dans cette partie d’une façon similaire à la commande appliquée sur la GADA pour établir la régulation des puissances active et réactive échangées avec le réseau côté rotor de la GADA.
Fonctionnement du convertisseur CA/CC
Le circuit de puissance principal d’un convertisseur d’électronique de puissance triphasé MLI est représenté à la figure 4.1. Il se compose de six IGBT avec six diodes roues libres antiparallèles, inductances et résistances d’entrée triphasées et un condensateur associé au lien CC. De plus, on utilise une charge résistive pour tester et analyser le fonctionnement du convertisseur CA/CC séparément de la machine dans cette partie.
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Table des matières
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES SIGLES
LISTE DES ABRÉVIATIONS
DÉDICACES
REMERCIEMENTS
CHAPITRE 1
INTRODUCTION
1.1 Intérêts socio-économiques du sujet
1.2 Motivations
1.3 Problématique
1.4 Objectif
1.5 Contribution scientifique
1.6 Les grandes lignes de la thèse
CHAPITRE 2
ÉTAT DE L’ART
2.1 Introduction
2.2 Situation actuelle de l’énergie éolienne
2.3 Tendances actuelles dans le domaine des aérogénérateurs
2.4 Performances et commande de la GADA
2.5 Commande du convertisseur côté réseau
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3
COMMANDE VECTORIELLE DE LA MACHINE ASYNCHRONE À DOUBLE ALIMENTATION
3.1 Introduction
3.2 Principe de fonctionnement et performances de la GADA
3.3 Modèle mathématique de la GADA
3.4 Contrôle vectoriel découplé des puissances active et réactive
3.5 Résultats de simulation
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4
COMMANDE DU CONVERTISSEUR CÔTÉ RÉSEAU DE LA MACHINE
4.1 Introduction
4.2 Fonctionnement du convertisseur CA/CC
4.3 Modélisation du convertisseur CA/CC
4.4 Commande du convertisseur côté réseau
4.5 Synchronisation du convertisseur au réseau
4.6 Résultats de simulation
4.6.1 Synchronisation au réseau
4.6.2 Suivi des références
4.6.3 Fonctionnement en mode bidirectionnel
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5
COMMANDE DE LA GADA PAR MODE GLISSANT
5.1 Introduction
5.2 Principe de la commande par mode glissant
5.3.1 Surface de glissement et condition de convergence
5.3.2 Calcul de la loi de commande
5.4 Commande directe des puissances de la machine par mode glissant
5.4.1 Formulation des équations des puissances
5.4.2 Surface de glissement
5.4.3 Synthèse de la loi de commande
5.4.4 Conditions d’existence et de convergence du régime glissant
5.4.5 Stabilité et robustesse de la commande
5.5 Commande du convertisseur côté réseau par mode glissant
5.6 Implémentation de la commande
5.7 Résultats de simulation
5.8 Conclusion
CHAPITRE 6
RÉALISATION DE LA PLATEFORME EXPÉRIMENTALE
6.1 Introduction
6.2 Principe du système expérimental
6.3 Banc d’essai expérimental
6.3.1 Machines électriques utilisées
6.3.2 Prototype de commande
6.4 Partie programmation
6.4.1 Présentation de la carte ADSP‐BF506F EZ‐KIT
6.4.2 Structure du programme implémenté
6.4.3 Transition entre les deux formats fixe et flottante
6.6 Test du fonctionnement du banc d’essai
6.7 Difficultés de l’implémentation expérimentale
6.8 Conclusion
CHAPITRE 7
VALIDATION EXPÉRIMENTALE ET RÉSULTATS
7.1 Introduction
7.2 Convertisseur côté réseau
7.2.1 Synchronisation
7.2.2 Suivi de références
7.2.3 Test de perturbation
7.3 Commande de la GADA
7.3.1 Fonctionnement en régime permanent
7.3.2 Comportement de la machine face au creux de tension
7.4 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE 1
ANNEXE 2
ANNEXE 3
ANNEXE 4
Schémas utilisés pour réaliser le convertisseur CA-CC
ANNEXE 5
ANNEXE 6
ANNEXE 7
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