SAN-OM-29
Modèle aérodynamique de la turbine
REVUE DE LA LITTÉRATURE
Introduction :
Vu l’intérêt de l’utilisation de l’électricité d’origine éolienne et son intégration dans le nouveau marché mondial de la production d’énergie électrique, des mécanismes de développement à l’échelle planétaire sont mis en place pour une extraction optimale de cette énergie et son transport. Dans ce chapitre est présentée une revue générale de la bibliographie portant sur la production, la conversion et le transport d’énergie produite par le système éolien à grande échelle (parc éolien). Les centrales de production d’énergie renouvelable à base de parcs éoliens offshore sont habituellement loin des points de consommation, ce qui nécessite le transport de cette énergie produite qui engendre des pertes et elles doivent être prises en considération. Il est essentiel donc, pour assurer le transfert de grandes quantités d’énergie éolienne avec un rendement acceptable, de choisir des configurations et des contrôles appropriés.
Parc éolien offshore :
Le parc éolien ou ferme éolienne est un site équipé de plusieurs éoliennes reliées au réseau électrique AC principal. Les éoliennes peuvent être connectées entre elles, soient en séries, en parallèles ou séries-parallèles. Elles peuvent être installées sur terre (parc onshore) ou sur mer (parc offshore). Une éolienne ou la turbine, appelée aussi aérogénérateur utilise l’énergie cinétique du vent pour entrainer l’arbre de son rotor, celle-ci est alors convertie en énergie mécanique, elle-même transformée en énergie électrique à travers une génératrice accouplée à l’axe du rotor de l’éolienne. Ce couplage mécanique peut être soit direct si la turbine et la génératrice ont des vitesses du même ordre de grandeur, soit indirecte si la vitesse de l’éolienne est très faible devant la vitesse de la génératrice. Elles seront dans ce cas-là couplées par l’intermédiaire d’un multiplicateur. Ensuite, cette énergie est transférée par l’intermédiaire des convertisseurs de puissances au réseau électrique ou aux sites isolés ou pour le stockage. La Figure 1.1 représente la chaine éolienne de production d’électricité.
Problématiques:
Les travaux de recherche dans le domaine des énergies renouvelables disponibles dans les revues de la littérature ont montré de grandes avancées dans le domaine du contrôle, des configurations utilisées pour la production d’énergies éoliennes et le transport à travers des stations VSC-HVDC. Malgré les efforts des chercheurs dans ce contexte, plusieurs problématiques demeurent sans solution efficace. Après des recherches approfondies effectuées dans ces domaines, on a remarqué que des améliorations pourront être apportées aux différents niveaux, que ce soit au niveau du contrôle, ou au niveau des configurations pour rentabiliser et optimiser l’énergie transportée. Ces améliorations qui sont développées dans cette thèse sont déduites à partir des problématiques constatées dans des revues scientifiques internationales.
Problème de maximisation de la puissance éolienne
La première problématique traite la maximisation de puissance d’un parc éolien offshore qui constitue un problème pour les constructeurs qui se trouvent confrontés à développer des dispositifs MPPT simples, moins coûteux, robustes, fiables et capable d’obtenir un rendement énergétique efficace. Plusieurs chercheurs ont proposé des solutions semblables se basant sur l’utilisation des MPPT, mais ces solutions ne donnent pas entière satisfaction.
Problème de l’incertitude des mesures et de la modélisation
Problème des incertitudes des mesures, des incertitudes dans la modélisation, du dysfonctionnement ou de panne des capteurs survenus subitement. Ces problèmes influencent négativement les performances de la commande et sur la qualité d’énergie.
Problème des défauts AC et DC sur la stabilité du système
Le problème des défauts (AC et DC) influe négativement sur l’amplitude des courants, des tensions, la stabilité du système et la qualité d’énergie. Ces défauts peuvent produire des dommages importants aux équipements électriques.
Problème des coûts et d’encombrement d’une installation
Dans n’importe quel projet d’installation pour la production d’énergie électrique, le problème des coûts et d’encombrements du système doit être pris en considération. De point de vue technico-économique, le coût de l’installation doit être moins cher et la taille du système doit être réduite.
Objectifs:
Les objectifs pour résoudre les problématiques citées en haut sont décrits comme suit :
• maximiser la puissance du parc éolien offshore;
• amélioration de la puissance d’extraction du parc éolien offshore;
• meilleur transfert de puissance durant la présence de défaut;
• réduction du coût, d’encombrement et de maintenance de l’installation;
• amélioration des performances statiques et dynamiques du système durant la présence de défaut; • meilleur contrôle du système durant la présence de défaut.
Méthodologie:
La méthodologie définie les étapes à entreprendre pour l’atteinte des objectifs fixés. Pour cela, nous modéliserons en premier lieu les différents éléments du système comprenant : l’éolienne, la génératrice PMSG du parc éolien offshore, onduleur DC-AC offshore, la station VSC-HVDC offshore et onshore. Des commandes ont été élaborées pour le contrôle de ces différents éléments et des algorithmes ont été développés afin de les interagir pour solutionner efficacement les objectifs fixés.
Trois systèmes HVDC de configurations différentes ont été considérés pour valider les solutions proposées.
La première configuration du système HVDC interconnecte un parc éolien offshore au réseau AC onshore via deux stations (offshore et onshore) à trois niveaux à point neutre calé (3LNPC VSC-HVDC) connectées entre elles par deux câbles DC. Dans ce système les variables estimées obtenues par les observateurs non-linéaires proposés sont intégrés dans le contrôle des convertisseurs. Cette démarche participe à la maximisation de l’énergie du parc éolien offshore en suivant la référence obtenue par le nouvel algorithme MPPT en temps réel, à la minimisation du coût de l’installation, à la réduction de la taille du système et à l’atténuation de l’impact des défauts. Des tests de sévères défauts au PCC du côté réseau principal AC onshore, du côté réseau AC offshore et du côté DC ont été entrepris pour vérifier l’efficacité des observateurs nonlinéaires proposés sur la qualité d’énergie. Une comparaison des résultats obtenus avec d’autres travaux de recherche dans le même domaine de point de vue dépassement et rapidité de réponse du système a été présentée.
La deuxième configuration du système HVDC interconnecte un parc éolien offshore au réseau AC onshore via deux stations (offshore et onshore) à deux niveaux (VSC-HVDC) connectées entre elles par deux câbles DC. Dans ce système est associé au contrôle des convertisseurs du parc éolien offshore les variables estimées obtenues par les observateurs non-linéaires proposés. Cette démarche participe à la maximisation de l’énergie du parc éolien offshore en suivant la référence obtenue par le nouvel algorithme MPPT en temps réel, à la minimisation du coût de l’installation, à la réduction de la taille du système et la réduction d’intervention des services de maintenance. Des tests de sévères défauts au PCC du côté réseau principal AC onshore, du côté réseau AC offshore et du côté DC ont été entrepris pour vérifier l’efficacité de la méthode de compensation proposée sur la qualité d’énergie. Une comparaison des résultats obtenus avec et sans compensation du système avec d’autres travaux de recherche dans le même domaine de point de vue impact de la profondeur de défaut sur l’amplitude, stabilité et qualité de l’énergie a été présentée.
IMPACT DES PERFORMANCES DE L’ALGORITHME EKF SUR LES DÉFAUTS AC ET DC D’UN SYSTÈME HVDC
Introduction :
Diverses méthodes de contrôle des systèmes HVDC ont été publiées dans la littérature (Torres-Olguin et al., 2013) (Jun et al., 2011) (Shuhui, Haskew et Ling, 2010) (Lidong, Harnefors et Nee, 2011). Ces études déjà effectuées dans ce domaine de système HVDC ne prennent pas en compte les cas de problème de l’incertitude de mesure, l’incertitude dans la modélisation, le dysfonctionnement ou la panne dans les mesures de capteurs concernant les systèmes d’énergie éolienne installés en mer (offshore) ainsi que les défauts AC et DC. De point de vue technique et économique, les estimateurs non-linéaires sont devenus nécessaires pour solutionner les problématiques citées précédemment (les incertitudes de mesures et de modélisation, la minimisation de l’intervention du service de maintenance et la minimisation de l’impact des défauts AC et DC sur le système).
Dans ce chapitre, nous présentons une méthode pour la résolution de ce problème en utilisant des estimateurs non-linéaires basés sur l’algorithme EKF (Benadja et Chandra, 2015). Cette méthode estime les paramètres désirés tels que : la position du rotor et la vitesse des machines PMSGs, la tension du bus DC du convertisseur DC-AC côté bus AC du parc éolien offshore (OWF) et la tension continue des deux stations VSC-HVDC à trois niveaux pour un système constitué d’un OWF connecté au réseau électrique terrestre via deux stations 3LNPC VSC-HVDC et deux câbles à courant continu de type XLPE. Pour vérifier l’efficacité de l’utilité de l’algorithme EKF dans le contrôle des machines PMSGs et des stations 3LNPC VSC-HVDC afin d’estimer les paramètres désirés et d’atténuer l’influence des défauts (AC et/ou DC), le système est simulé en tenant compte d’un sévère défaut AC triphasé survenu au point de couplage commun (PCC) du côté réseau principal AC onshore et du côté réseau AC offshore et un défaut DC sur le câble supérieure à courant continu raccordant les deux stations 3L-NPC VSC-HVDC (offshore et onshore). Les résultats de simulations du système étudié sont validés en utilisant le logiciel MATLAB/Simulink.
IMPACT DES PERFORMANCES DE LA STRATÉGIE MRAC SUR LES DÉFAUTS AC ET DC D’UN SYSTÈME HVDC
Description du système :
Le système considéré dans cette étude est illustré à la Figure 4.1. Il s’agit de la production et du transport de l’énergie d’un parc éolienne en mer (OWF : parc éolien offshore) composé de 150 éoliennes à vitesse variables basées sur des génératrices synchrones à aimant permanent (VSWT/PMSG) vers le réseau principal AC onshore sous l’influence des trois scénarios de défaut. Les éoliennes VSWT/PMSG sont reliées en séries entre elles, chacune d’une puissance de 2 MW et possédant leur propre convertisseur AC-DC, d’où la capacité totale du parc OWF est de 300 MW. Les turbines VSWT /PMSGs du parc éolien offshore sont connectées ensuite avec le bus continu principal DC d’offshore produisant une puissance de 300 MW et transférée au bus AC d’offshore par un seul convertisseur continu-alternatif et un seul transformateur. Le transfert de l’énergie du bus AC offshore au réseau principal AC onshore est assuré par deux stations offshore et onshore (VSC-HVDC) interconnectées entre elles par deux câbles DC de 100 km chacun de type XLPE. Les paramètres du système utilisé dans cette étude sont donnés en annexe II.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Parc éolien offshore
1.2.1 Choix des génératrices pour application offshore
1.2.1.1 WECS à vitesse fixe et sans interfaçage avec les convertisseurs de puissance
1.2.1.2 Génératrice à induction à rotor bobiné avec résistance du rotor variable
1.2.1.3 Machine asynchrone à double alimentation
1.2.1.4 Systèmes à vitesse variable avec plein capacité des convertisseurs
1.2.2 Méthodes d’extraction de la puissance maximale de l’éolienne
1.2.3 Convertisseurs de puissance offshore
1.2.3.1 Convertisseurs commutés par les lignes (LCC)
1.2.3.2 Convertisseurs en source de tension (VSC)
1.3 Types de connexion des éoliennes dans un parc offshore
1.3.1 Transmission d’énergie électrique par la liaison HVAC
1.3.2 Transmission d’énergie électrique par la liaison HVDC
1.3.2.1 Transmission d’énergie électrique par LCC-HVDC
1.3.2.2 Transmission d’énergie électrique par VSC-HVDC
1.3.3 Transmission multiterminale à courant continu (LCC-MTDC et VSCMTDC)
1.3.3.1 Liaison parallèle
1.3.3.2 Liaison série
1.3.4 Défauts électriques dans les systèmes HVDC
1.3.5 Commande des convertisseurs VSC
1.4 Problématiques
1.5 Objectifs
1.6 Méthodologie
1.7 Contributions
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 NOUVEL ALGORITHME MPPT ET ESTIMATEURS NONLINÉAIRES APPLIQUÉS AU SYSTÈME ÉOLIEN
2.1 Introduction
2.2 Modèle aérodynamique de la turbine
2.3 Modélisation de la machine synchrone à aimant permanent
2.3.1 Mode moteur
2.3.2 Mode génératrice
2.4 Nouvel algorithme MPPT d’extraction de la puissance maximale de l’éolienne
2.5 Stratégie de contrôle de la PMSG avec MPPT et sans EKF
2.6 Stratégie de contrôle du filtre actif sans EKF
2.7 Observateur non-linéaire basé sur le filtre de Kalman étendu (EKF)
2.7.1 Modélisation et contrôle de la PMSG pour implantation de l’algorithme MPPT et EKF
2.7.1.1 Modélisation de la PMSG dans le repère (α-β)
2.7.1.2 Estimation de la vitesse et de la position du rotor de la PMSG
2.7.2 Stratégie de contrôle du filtre actif avec estimation de la tension du bus DC
2.7.2.1 Modélisation du filtre actif triphasé
2.7.2.2 Estimation de la tension continue du bus DC
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 IMPACT DES PERFORMANCES DE L’ALGORITHME EKF SUR LES DÉFAUTS AC ET DC D’UN SYSTÈME HVDC
3.1 Introduction
3.2 Description du système HVDC étudié
3.3 Modélisation et contrôle du système 1
3.3.1 Méthode d’extraction de la puissance maximale des éoliennes
3.3.2 Stratégie de contrôle de la PMSG avec l’algorithme MPPT et EKF
3.3.3 Stratégie de contrôle du convertisseur dc-ac connecté au bus AC offshore avec EKF
3.4 Stratégie de contrôle des stations 3L-NPC VSC-HVDC
3.4.1 Algorithme de contrôle des stations 3L-NPC VSC-HVDC avec EKF
3.4.2 Bloc de contrôle des stations 3L-NPC VSC-HVDC avec EKF
3.5 Résultats de simulation
3.5.1 Fonctionnement du système dans les conditions normales
3.5.2 Fonctionnement du système avec la présence des défauts
3.5.2.1 Scénario I : Défaut AC au PCC du côté réseau AC onshore
3.5.2.2 Scénario II : Défaut AC au PCC du côté réseau AC offshore
3.5.2.3 Scénario III : Défaut DC
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 IMPACT DES PERFORMANCES DE LA STRATÉGIE MRAC SUR LES DÉFAUTS AC ET DC D’UN SYSTÈME HVDC
4.1 Introduction
4.2 Description du système
4.3 Modélisation et contrôle du parc éolien offshore
4.3.1 Méthode d’extraction de la puissance maximale des éoliennes
4.3.2 Stratégie de contrôle de la PMSG avec l’algorithme MPPT et EKF
4.3.3 Stratégie de contrôle du convertisseur dc-ac connecté au bus AC offshore avec EKF
4.4 Stratégie de contrôle des stations VSC-HVDC
4.4.1 Algorithme de contrôle de la station offshore VSC-HVDC
4.4.2 Algorithme de contrôle de la station onshore VSC-HVDC
4.4.3 Commande adaptative à modèle de référence (MRAC)
4.5 Résultats de simulation
4.5.1 Fonctionnement du système dans les conditions normales
4.5.2 Fonctionnement du système avec la présence des défauts
4.5.2.1 Scénario I : Défaut AC au PCC du côté réseau AC onshore
4.5.2.2 Scénario II : Défaut AC au PCC du côté bus AC offshore
4.5.2.3 Scénario III : Défaut DC
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 CONTRÔLE PAR MODE DE GLISSEMENT DE LA STATION VSC-HVDC EN PRÉSENCE D’UN DÉFAUT DC AVEC EXPÉRIMENTATION POUR UN PROTOTYPE À ÉCHELLE RÉDUITE
5.1 Introduction
5.2 Description du système
5.3 Modèle aérodynamique de la turbine
5.3.1 Méthode d’extraction de la puissance maximale des éoliennes
5.3.2 Stratégie de contrôle de la PMSG avec l’algorithme MPPT
5.4 Stratégie de contrôle de la station onshore VSC-HVDC avec le contrôleur PI
5.5 Stratégie de contrôle de la station onshore VSC-HVDC avec SMC
5.5.1 Existence de la commande équivalente
5.5.2 Condition de stabilité du mode de glissement
5.6 Résultats de simulation
5.6.1 Fonctionnement du système dans les conditions normales
5.6.2 Fonctionnement du système avec présence de défaut DC
5.7 Résultats expérimentaux
5.8 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I THÉORIE DU FILTRE DE KALMAN ÉTENDU (EKF)
ANNEXE II PARAMÈTRES DES SYSTÈMES
BIBLIOGRAPHIE
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