Modélisation de l’éolienne à MADA  

MODÉLISATION DE L’ÉOLIENNE À MADA  

COMMANDE CLASSIQUE DE L’ÉOLIENNE À MADA

Introduction

Les types de commande classiques les plus utilisés aujourd’hui pour la contrôle de la MADA sont : la commande vectorielle et la commande directe (Direct Torque Contrôle ou Direct Self Control). Dans ce qui suit, nous allons présenter sommairement le principe de la commande (DTC) suivit d’une présentation détaillée de la conception et de l’implantation de la commande vectorielle pour la régulation de vitesse et de tension de l’éolienne à MADA connecté au réseau. Une simulation permettra de vérifier l’efficacité de la commande.

La commande directe

Quatre à cinq années après la commande vectorielle, apparaît une nouvelle technique de commande pour les machines tournantes : la commande directe. La commande directe a vu le jour grâce aux travaux des chercheurs comme Isao Taka hashi et Yoshihito Noguchi en 1984 qui lui donna le nom de « Direct Torque Control (DTC) » et Manfred Depenbrock sous le nom de « Direct Self Control (DSC) ». La commande directe est basée sur l’association de la machine et des commutateurs d’électronique de puissance qui la commandent. Contrairement à la commande vectorielle, le changement de repère n’est pas obligatoire pour assurer le découplage entre le flux et le couple, car le découplage est obtenu à travers les commutateurs d’électronique de puissance.
Le principe de fonctionnement de la commande est relativement simple avec trois étages : on a la partie estimation de flux et de couple, ensuite les contrôleurs par hystérésis et enfin la table de sélection des vecteurs optimaux permet de donner les signaux nécessaires pour  commander le convertisseur coté rotor. La figure 3.1 présente le principe de fonctionnement de la commande.

La commande vectorielle

La commande vectorielle de la MADA est apparue durant les années 1980, elle fait partie des commandes les plus anciennes pour ce type d’entrainement. Elle est basée sur le passage d’un référentiel triphasé (a,b,c) de la machine en un référentiel biphasé (d,q). Cette transformation est bien connue sous le nom de transformation de Park, qui est l’auteur des travaux parus dans les années 1920. L’objectif de cette transformation est de simplifier les équations dynamiques de la machine en annulant la non linéarité permettant ainsi de découpler le flux et le couple. Le découplage permet de commander séparément la puissance active (couple) et la puissance réactive de la machine (flux et tension). L’application de la commande vectorielle nécessite une très bonne connaissance de la MADA et suppose que les enroulements de la machine sont équilibrés, que la distribution du flux est sinusoïdale, que les pertes fer sont nulles et que le circuit magnétique n’est pas saturé.  La figure 3.2 montre clairement les deux boucles de régulation et surtout le principe de la commande vectorielle de la MADA. On peut constater que la mesure des angles électriques au stator et au rotor est essentielle pour effectuer une bonne commande vectorielle. Cette partie sera vue plus en détail dans la section conception du contrôleur aux paragraphes suivants.
Après une présentation sommaire des deux commandes qui sont utilisées pour le contrôle de la MADA, nous choisirons d’aller plus en détail dans la conception de la commande vectorielle, car c’est la plus connue, la plus présente dans la littérature et surtout celle qui a été choisie dans notre modèle de réseau. Commande vectorielle de la MADA La commande vectorielle comme présentée à la sous section (3.3) est pratique pour faire une étude dynamique de la MADA. On peut distinguer deux types de commande vectorielle : la commande vectorielle avec orientation du vecteur flux et la commande vectorielle à orientation du vecteur tension. Équations dynamiques du modèle de la MADA avec orientation de flux Le modèle avec orientation de flux est celui qui est le plus utilisé dans la littérature. Il offre la possibilité de faire une orientation du flux statorique, rotorique ou celui de l’entrefer. Le flux n’étant pas mesurable, sa valeur est estimée à partir des valeurs du courant et de la tension. Pour des raisons pratiques, l’option d’orientation du flux statorique est privilégiée, car pouvant être estimé à partir des courants et tensions statoriques. On contrôle alors le flux de telle sorte que sa composante directe devienne colinéaire à l’axe « d » du repère arbitraire (référentiel synchrone) et que sa composante en quadrature (axe q) devienne nulle ( qs ψ = 0) Figure 3.3. Suite à cela, si on néglige les pertes joules statoriques ( ≈ 0 Rs ), la variation de la pulsation des courants statoriques ( w cte s = ) ainsi que celle de la  tension statorique ( V cte s = ), les équations (2.49) et (2.50) deviennent alors : Équations dynamiques du modèle de la MADA avec orientation de la tension statorique Le contrôle de la MADA par orientation du vecteur tension permet d’aboutir aux mêmes résultats que celui du flux (Li, Challoo et Nemmers, 2009). Par contre, contrairement au flux, la tension de la machine est directement mesurable et dans le cas d’une machine connectée au réseau elle est imposée par le réseau lui-même. Si on contrôle l’axe direct du référentiel synchrone de telle sorte qu’il soit colinéaire à la composante directe du vecteur tension ce qui aura comme conséquence l’annulation du flux direct ( ds ψ = 0 ) Figure (3.3). Si on néglige les pertes joules statoriques ( ≈ 0 Rs ), la variation de la pulsation des courants statoriques.

Détermination des paramètres du contrôleur avec commande vectorielle

A la suite de la présentation des orientations de flux et de tension, il en ressort que le flux n’est pas mesurable et qu’on a besoin de la tension pour l’estimer. En pratique, il est très difficile d’obtenir l’amplitude et la phase du flux, il faudra l’estimer et cette estimation nécessite des commandes très complexes, par exemple dans le cas où on a intégré la tension pour trouver le flux, le problème du choix de la valeur initiale pose souvent des problèmes. Or notre objectif étant d’implanter une commande réaliste, nous choisirons d’utiliser la solution qui est très accessible et qui présente l’avantage de pouvoir utiliser le même référentiel pour les deux convertisseurs (côté rotor et côté réseau). Dans notre cas où l’éolienne est connectée à un réseau puissant, l’amplitude et la phase de la tension seront imposées par ce dernier, et juste un PLL permettrait de déterminer l’amplitude et la phase de cette tension.

L’interconnexion de l’éolienne au réseau

L’interconnexion de l’éolienne au réseau dépend principalement du type de réseau (alternatif ou continu, triphasé ou monophasé) et de la génératrice (à courant continu, synchrone ou asynchrone). Dans cette partie nous nous intéresserons particulièrement à la génératrice à MADA car c’est elle que nous avons choisie pour nos travaux. Ce sous chapitre sera aussi un moyen pour nous de présenter le modèle de réseau que nous utiliserons pour effectuer nos simulations. La figure 3.5 présente la configuration standard de l’interconnexion de la MADA dans un réseau alternatif. Dans le schéma nous pouvons voir que le stator de la machine est directement connecté au réseau à travers un transformateur qui permettra d’adapter la tension de la machine à celle du réseau. Le rotor quand à lui, est connecté à travers une cascade hyposynchrone composé de transistors IGBT qui permettent de varier la fréquence rotorique. En s’intéressant à l’écoulement de puissance on peut voir que cette configuration permet à l’éolienne dans certaines conditions de délivrer de la puissance active à travers le rotor et le stator et aussi d’en consommer à partir du rotor. C’est ainsi qu’on a la puissance émise par l’éolienne dans le réseau .

L’éolienne

Le modèle de l’éolienne utilisé est un modèle à deux masses de GE utilisé dans SPS(Richard Gagnon, 2005). Pour les besoins de la simulation nous avons utilisé un parc constitué de 14 éoliennes pour une puissance totale de 21 MW. Contrôleur de la turbine Le contrôleur de la turbine permet de délivrer le couple maximum en fonction de la vitesse de vent disponible. Il utilise comme entrée la vitesse du vent, celle de la turbine et la valeur de l’angle d’inclinaison des pâles. À l’aide de correcteurs de type PI il génère le couple maximum en sortie (figure 3.6 et 3.7).

Le contrôleur de la génératrice 

Le contrôle de la génératrice consiste principalement à contrôler le convertisseur côté rotor et côté réseau. C’est ainsi qu’il peut être divisé en deux grands ensembles :  Commande du convertisseur côté-rotor Le contrôleur côté-rotor permet de réguler la puissance active et réactive du réseau à travers ses deux blocs de contrôle : le contrôleur de vitesse et d’angle d’inclinaison des pâle  et le contrôleur du convertisseur coté réseau . Le contrôleur de vitesse permet de générer le couple électromagnétique à délivrer par le générateur suivant la fonction d’extraction de maximum de puissance. Pour ce faire, la puissance électrique actuelle délivrée par la génératrice est utilisée pour trouver la vitesse correspondante à travers la fonction d’extraction de maximum de puissance. La vitesse ainsi trouvée sert de référence au régulateur de vitesse qui génère le couple électromagnétique à produire par la machine.

Table des matières

INTRODUCTION  
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
1.1 Introduction 
1.2 Choix du type de génératrice à utiliser pour notre projet
1.3 Contrôle vitesse et tension de la MADA
1.4 Participation de l’éolienne au réglage de la fréquence du réseau
CHAPITRE 2 MODÉLISATION DE L’ÉOLIENNE À MADA  
2.1 Introduction 
2.2 Présentation du réseau test
2.3 Le groupe éolien
2.3.1 La turbine
2.3.2 La génératrice à MADA
CHAPITRE 3 COMMANDE CLASSIQUE DE L’ÉOLIENNE À MADA  
3.1 Introduction  
3.2 La commande directe
3.3 La commande vectorielle
3.4 L’interconnexion de l’éolienne au réseau
CHAPITRE 4 COMMANDE NON LINÉAIRE DE L’ÉOLIENNE À MADA 
4.1 Introduction 
4.2 Principe de la commande non linéaire
4.3 Conception d’un contrôleur non linéaire
4.3.1 Calcul du contrôleur non linéaire multi-variable de la MADA
4.3.2 Résultats de simulation
4.4 Synthèse des résultats
CHAPITRE 5 PARTICIPATION DE L’ÉOLIENNE À MADA AU RÉGLAGE DE LA FRÉQUENCE DU RÉSEAU 
5.1 Introduction  
5.2 Le réglage de la fréquence
5.2.1 Pourquoi doit-on régler la fréquence?
5.2.2 Quels sont les niveaux de réglage de la fréquence ?
5.3 Participation de l’éolienne au réglage de la fréquence
CONCLUSION 
ANNEXE

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