Modélisation et simulation dynamique de la génératrice synchrone à rotor bobiné connectée à une charge locale

Motivations socio-économiques.

Au cours des deux dernières décennies, de grandes variétés de technologies d’énergie éolienne ont été développées, ce qui a permis d’améliorer l’efficacité de conversion et de réduire les coûts de production d’énergie éolienne. La taille des éoliennes a augmenté de quelques kilowatts à plusieurs mégawatts chacune. En plus des installations sur la terre, les grandes éoliennes ont été placées en mer pour récolter plus d’énergie et de réduire leur impact sur l’utilisation des terres et du paysage. [1] Pour réduire les coûts de fabrication et de maintenance, les aérogénérateurs intégraient en général une machine à induction fonctionnant en générateur. De nos jours, les machines synchrones sont de plus en plus utilisées. Aussi compte tenu des récents développements en matière d’électronique de puissance, les convertisseurs de puissance sont de plus en plus mis à contribution pour une conversion optimale de l’énergie éolienne. Que ce soit dans la cogénération électrique ou dans la production autonome, la maintenance des éoliennes est un défi majeur qui accroit leur coût de productivité et donc par conséquent diminue les bénéfices des producteurs; dans ce contexte ce projet de maîtrise vise donc à étudier et à proposer des solutions aux vibrations torsionnelles. La capacité éolienne installée dans le monde était de 318 GW fin 2013, et devrait augmenter de plus de 400% pour atteindre 1.107 GW en 2030. La puissance éolienne installée dans le monde devrait être multipliée par 3 pour atteindre 910 GW en 2025, le marché mondial de l’éolien devrait plus que doubler au cours de cette période, passant de 21 à 47 milliards d’Euros (30 à 66,5 milliards de dollars CAD). Depuis 2013 la République Populaire de Chine est le plus grand producteur d’ énergie éolienne dans le monde (voir Figure 1. 1 ). Le Canada est le cinquième plus grand producteur; produisant environ 4.5% de l’approvisionnement énergétique éolien mondial [2-4].

Motivations scientifiques.

L’efficacité est devenue une figure majeure du mérite dans l’industrie aujourd’hui à cause des avantages économiques avec une importante durabilité. Cela a mené à une forte demande des entraînements à vitesse réglable [Adjustable speed drive (ASD)], augmentant ainsi leur intérêt dans un marché fortement dominé par des connexions directes des entraînements électriques (encore plus de 80% dans plusieurs secteurs industriels) [5]. Les résonances mécaniques sont en réalité un domaine de recherche assez avancée des ingénieurs mécaniciens. Dans des applications exigeant l’utilisation des convertisseurs statiques, 1 ‘ensemble convertisseur-machine produit des couples fonction de la topologie du convertisseur (convertisseur de courant à base de thyristors), de la stratégie de commande. Ces paramètres ne dépendent pas du constructeur de la charge mécanique. La topologie du convertisseur statique est fonction des exigences de l’application, des normes internationales et du client. Une harmonisation de la terminologie utilisée et une bonne compréhension des besoins entre ingénieurs mécaniciens et électriciens sont nécessaires. En utilisant des techniques d’automatique avancées, ce travail propose une modélisation réaliste du problème de résonnance mécanique et des techniques de prédictions des performances suite aux défauts et aux contingences du réseau électriques.

Problématiques.

Parce que les caractéristiques des éoliennes sont très différentes de celles des centrales électriques conventionnelles, et compte tenu de la fluctuation du vent; le développement des centrales éoliennes affe cte de nombreux aspect s de l’exploitation et le contrôle du système d’alimentation, tel que la protection, le contrôle de la fréquence, l’équilibrage du système, la stabilité transitoire, la stabilité de la tension et de la commande, sans oublier la dynamique torsionnelle du système d’entrainement [6]; aussi une variété de défauts pouvant se produire dans les enroulements de la génératrice ou dans la charge connectée au réseau. [7, 8].

Pour les aérogénérateurs, les fluctuations de la vitesse du vent (vitesse incontrôlable) sont transmises sous forme de fluctuations de puissance électrique. Ainsi le couple mécanique appliqué à la génératrice est périodique et représente un ensemble de composantes harmoniques. Il pourrait ainsi se produire des résonnances torsionnelles entre les arbres mécaniques sous forme de percussion dans le système mécanique ou sous forme d’impulsion dans le système électrique [9]. Hormis cette problématique, l’interaction entre variateurs de vitesse et les productions mécaniques rotatives augmentent le risque de résonance mécanique, sur les arbres tournants; ce risque existe dans toutes les applications tournantes entraînées par des variateurs de vitesse (ex. les turbines éoliennes, cimenteries, mmes, plateforrnes pétrolières). La connexion des convertisseurs statiques de puissance sur le réseau électrique entraîne de nouveaux défis et exige la recherche de solutions optimales permettant de limiter leurs effets néfastes, comme la pollution du réseau par les harmoniques de courants ou de tensions [9, 10]. Par conséquent, un modèle approprié est nécessaire pour étudier le comportement de la dynamique torsionnelle du système de conversion électromécanique. L’ analyse des impacts des défauts et des contingences de charge dans la dynamique torsionnelle du système de conversion d’ énergie électromécanique est le principal objectif de ce mémoire. Une attention particulière sera portée à la modélisation et simulation du système global de conversion.

Conclusion

Le modèle décrivant le comportement torsionnel de la partie mécanique plus précisément du multiplicateur de vitesse à trois étages a été développé et présenté sous forme de modèle d’état; ceci nous a permis de simuler le comportement dynamique du multiplicateur de vitesse. La résonance torsionnelle a été mise en évidence en excitant le système avec un couple de turbine T ext oscillant à 1 ‘une des fréquences naturelles du système en gardant le couple électromagnétique constant; puis avec un couple électromagnétique T.m oscillant à l’une des fréquences naturelles du sous-système en gardant le couple de turbine ‘f.xt constant. Les valeurs propres des sous-modèles d’état permettent de s’assurer de leur stabilité, la partie imaginaire représentant la pulsation naturelle du modèle. Ceci permet notamment une définition directe de la plage de fonctionnement dans laquelle les composantes harmoniques du couple externe seraient susceptibles d’exciter les modes de résonance torsionnelle du multiplicateur de vitesse, donc de l’aérogénérateur. La construction mécanique des multiplicateurs de vitesse à plusieurs étages et des générateurs et très sensible aux résonances torsionnelles surtout pour de grandes longueurs d’arbres [ 14].

Ainsi une réelle inquiétude est montrée quand que le couple externe pulse à une fréquence naturelle du système ou encore des couples pulsatoires issus de l’entrefer de la génératrice. En effet, on note pour ces cas un accroissement anormal des amplitudes du couple et de la vitesse de chaque masse, qui pourrait entraîner l’arrêt du système s’il est correctement amorti ou protégé, sinon sa destruction totale. Cette analyse permet l’étude du comportement du multiplicateur de vitesse lorsque 1′ expression fréquentielle du couple produit par la turbine (ou celle du couple électromagnétique) contient des composantes harmoniques proches ou égales à 1 ‘une des fréquences nodales du sous-système mécanique. Bien que la probabilité d’obtenir un tel effet soit faible, il reste à noter que la menace est réelle pour la survie de l’arbre [12].

Aussi pour des applications exigeant l’utilisation de variateurs de vitesse, l’ensemble convertisseur-machine produit un ensemble de couples fonction de la topologie du convertisseur (Convertisseur de courant à base de thyristors, convertisseur de tension à base de IGBT ou de IGCT, … ), de la stratégie de commande (Commande vectorielle ou en U/f: commande scalaire) et du type de modulation (modulation vectorielle, modulation de la largeur des impulsions de type symétrique ou de type asymétrique … ) [9, 10, 13]. Dans le chapitre qui suit, nous présentons la modélisation et la simulation dynamique de la génératrice synchrone à rotor bobiné connectée à sa charge locale. Des simulations permettant de valider le modèle developpé et le calcul des conditions initiales sont montrés.

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Table des matières

Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Résumé
Abstract
Remerciements
Chapitre 1 : Introduction Générale
1.1 Motivations socio-économiques
1.2 Motivations scientifiques
1.3 Problématiques
1.4 Mandat et objectifs
Chapitre 2 : Modélisation du multiplicateur de vitesse, simulation dynamique des résonances torsionnelles et amortissement mécanique des oscillations
2.1 Introduction
2.2 Modélisation dynamique du multiplicateur de vitesse
2.2.1 Modèle d’état du multiplicateur de vitesse
2.2.2 Simulation dynamique du multiplicateur de vitesse
2.3 Amortissement mécanique des résonances torsionnelles
2.4 . Conclusion
Chapitre 3. Modélisation et simulation dynamique de la génératrice synchrone à rotor bobiné connectée à une charge locale
3.1 Introduction
3.2 Modélisation de la génératrice synchrone dans le repère abc et dqh
3.3 Équations électromécaniques en grandeurs réduites (pu)
3.4 Modèles d’état de la génératrice synchrone
3.5 Représentation du modèle admittance et hybride
3.5.1. Modelé admittance
3.5.2. Modèle hybride de la génératrice
3.5.3. Modèle d’état de la génératrice avec v1 et Tm comme grandeur de commande.
3.5. 3 .1. Modèle de la charge
3.5. 3 .2. Modèle de la génératrice connectée à une charge locale
3.5.4. Simulation dynamique de la génératrice synchrone connectée à une charge locale
3 5.4.1. Calcul des conditions initiales et détermination des paramètres de simulation
3 5.4.2. Simulation et validation du modèle de la génératrice connectée à la charge
3.5.5. Modélisation du régulateur de l’excitatrice de la génératrice
3.5.6. Simulation de l’ensemble génératrice et excitatrice avec régulation de tension connectée à une charge locale
3.6 Conclusion
Chapitre 4. Analyse de la stabilité du convertisseur statique connecté au réseau
4.1 Introduction
4.2 Modèles d’état du convertisseur statique de puissance
4.2.1 Modèles d’état du convertisseur côté génératrice (redresseur)
4.2.2 Modèles d’état du convertisseur côté réseau
4.2.3 Conclusion
4.3 Simulation dynamique et analyse de la stabilité du système de conversion globale.
4.3.1 Linéarisation du système de conversion globale
4.3.2 Simulations numériques du modèle global linéarisé
4.4Étude de la stabilité du système de conversion globale
4.4.1 Commande par retour d’état: Placement de pôles
4.4.2 Indice de commandabilité des systèmes multivariables
4.5 Conclusion
Chapitre 5: Impact des défauts sur la dynamique torsionnelle du système de l’aérogénérateur Amortissement électronique
5 .1 Introduction.
5.2 Structure finale de simulation numérique
5.3 Modèle électromécanique de la génératrice synchrone connectée à la charge
5.4 Paramètres du modèle combiné multiplicateur de vitesse et génératrice connectée à une charge locale
5.5 Impact et contingences des défauts pour un couple externe non résonant: application de la composante continue du couple externe
5.5.1 Génératrice connectée à une charge locale résistive
5.5.1.1 Effet de torsion du passage d’un fonctionnement à vide à une commutation pour une charge résistive pour une composante continue du couple externe
5.5.1.2 Effet de torsion du passage d’un essai de commutation à un délestage pour une charge résistive pour une composante continue du couple externe
5.5.1.3 Effet de torsion du passage d’un essai de fonctionnement nominal à un court-circuit pour une charge résistive pour une composante continue du couple externe
5.5.1.4 Discussion
5.5.2 Génératrice connectée à une charge locale inductive
5.5.2.1 Effet de torsion du passage d’un essai à vide à une commutation pour une charge inductive pour une composante continue du couple externe
5.5.2.2 Effet de torsion du passage d’un essai de commutation à un délestage pour une charge inductive pour une composante continue du couple externe
5.5.2.3 Effet de torsion du passage d’un essai en fonctionnement nominal à un essai en court-circuit pour une charge inductive pour une composante continue du couple externe.
5.5.2.4 Discusion
5.5.3 Génératrice connectée à une charge locale capacitive
5.5.3.1 Effet de torsion du passage d’un essai à vide à une commutation pour une charge capacitive pour une charge inductive pour une composante continue du couple externe
5.5.3.2 Effet de torsion du passage d’un essai de commutation à un délestage pour une charge capacitive pour une charge inductive pour une composante continue du couple externe.
5.5.3.3 Effet de torsion du passage d’un fonctionnement nominal à un essai de court-circuit pour une charge capacitive pour une charge inductive pour une composante continue du couple externe
5.5.3.4 Discusion
5.6 Impact et contingences des défauts pour une composante harmonique du couple externe non résonante et sa composante continue
5.6.1 Génératrice connectée à une charge locale résistive
5.6.1.1 Effet de torsion du passage d’un fonctionnement à vide à une commutation pour une charge résistive pour une composante harmonique du couple externe non résonante et sa composante continue
5.6.1.2 Effet de torsion du passage d’un essai de conunutation à un délestage pour une charge résistive pour une composante harmonique du couple externe non résonante et sa composante continue
5.6.1.3 Effet de torsion du passage d’un essai de fonctionnement nominal à un court-circuit pour une charge résistive pour une composante harmonique du couple externe non résonante et sa composante continue
5.6.1.4 Discusion
5.6.2 Génératrice connectée à une charge locale inductive
5.6.2.4 Discusion
5.6.3 Génératrice connectée à une charge locale capacitive
5.6.3.4 Discusion
5.7 Conclusion
5.8 Possibilités d’amortissement électronique des résonnances torsionnelles par un convertisseur de courant.
5.8.1 Analyse spectrale du convertisseur de courant.
5.8.2 Minimisation des couples pulsatoires
5.9 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographies
ANNEXES