Optimisation d'un système de pompage d'eau à l'aide d'une éolienne à vitesse variable

One of the current concerns on a global scale and one of the main problems in the development of arid, semi-arid and isolated regions where access to conventional energy is difficult if not practically impossible, is 'water supply, either for domestic consumption (by people), or for the farmer (breeding and irrigation). Considering the importance of wind potential and the increased demand for the use of renewable energy systems for pumping water, the advantages of wind pumps are enormous: reliability, long term profitability, simple operation etc ... But the major drawback of systems using clean energy is that they require a certain financial investment, the payback period of which can sometimes prove to be long. This project aims to optimize the efficiency of the various energy converters and will therefore reduce this duration. From an economic point of view, this is therefore profitable for the consumer. In wind power conversion systems, closed loop control is required to maximize the captured wind energy power. The major drawback of such a system is the extremely non-linear behavior of the wind turbine / generator. Conventional control strategies have shown poor resistance to external disturbances, poor convergence performance, and poor stability in the face of changing environmental conditions. Accurate wind speed and generator rotational speed information is essentially needed to operate the system at maximum power points. In most cases, a number of anemometers surrounding the wind turbine at a distance are needed to provide adequate information on wind speed. These mechanical sensors increase considerably equipment and maintenance costs and reduce the overall reliability of the system. In this thesis, we are interested in the study of water pumping systems using variable speed wind turbines. The objective is to develop and manufacture an intelligent water pumping system, ensuring better use of the overall system, in particular the optimization of the power produced by the variable speed wind turbine and the improvement of the pumped water flow. This research theme revolves around the following axes: modeling and sizing of the elements of the wind power system and the pump, the study of suitable converters for the variable speed wind turbine and the pump motor, the study of MPPT controls to regulate and maximize the power generated by the wind turbine, the proposal of robust controls to improve the operation of the wind power system and the pump motor unit. This project also aims: the elimination of mechanical sensors (wind speed, position and speed of rotation) in a power maximization control (Maximum Power Point Tracking). The idea consist to use state observers capable of estimating mechanical quantities using less expensive sensorsL'une des préoccupations actuelles à l'échelle mondiale et l'un des principaux problèmes du développement des zones arides, semi-arides et les régions isolées où l'accès à l’énergie classique est difficile voire pratiquement impossible, c'est l'approvisionnement en eau, soit pour la consommation domestique (de personnes), soit pour l'agriculteur (élevage et irrigation). Compte tenu de l'importance du potentiel éolien et la demande accrue de l'utilisation des systèmes à énergie renouvelable pour le pompage d'eau, les avantages des pompes éoliennes sont énormes : fiabilité, rentabilité à long terme, fonctionnement simple etc...Mais l'inconvénient majeur des systèmes utilisant des énergies propres est qu'ils nécessitent un certain investissement financier dont la durée d'amortissement peut parfois s'avérer longue. Ce projet vise à optimiser le rendement des différents convertisseurs d'énergie et permettra donc de diminuer cette durée. D'un point de vue économique, ceci est donc rentable pour le consommateur. Dans les systèmes de conversion d'énergie éolienne, un contrôle en boucle fermée est nécessaire pour maximiser la puissance d'énergie éolienne capturée. L'inconvénient majeur d'un tel système est le comportement extrêmement non linéaire de l'éolienne / génératrice. Les stratégies de commandes conventionnelles ont montrées une faible résistance aux perturbations externes, de faible performance de convergence et une mauvaise stabilité face à des conditions environnementales changeantes. Les informations précises sur la vitesse du vent et la vitesse de rotation de la génératrice sont essentiellement nécessaires pour faire fonctionner le système à des points de puissance maximale. Dans la plupart des cas, un certain nombre d'anémomètres entourant l'éolienne à une certaine distance sont nécessaires pour fournir des informations adéquates sur la vitesse du vent. Ces capteurs mécaniques augmentent considérablement les coûts d'équipement et de maintenance et réduisent la fiabilité globale du système. Dans cette thèse on s'intéresse à l'étude des systèmes de pompage d'eau à l'aide des éoliennes à vitesse variable. L'objectif vise à développer et à fabriquer un système de pompage d'eau intelligent, d'assurer une utilisation meilleure du système global notamment l'optimisation de la puissance produite par l'éolienne à vitesse variable et l'amélioration du débit pompé. Cette thématique de recherche s'articule autour des axes suivants : la modélisation et le dimensionnement des éléments du système éolien et de la pompe, l'étude des convertisseurs adéquats à l'éolienne à vitesse variable et au moteur-pompe, l'étude des commandes MPPT pour réguler et pour maximiser la puissance générée par l'éolienne, la proposition des commandes robustes pour améliorer le fonctionnement du système éolien et du groupe moteur pompe. Ce projet vise également : l'élimination des capteurs mécaniques (vitesse du vent, position et vitesse de rotation) dans une commande de maximisation de la puissance (Maximum Power Point Tracking). L'idée consiste à utiliser des observateurs d'états capables d'estimer les grandeurs mécaniques en utilisant des capteurs moins coûteu

Optimization of a water pumping system using a variable speed wind turbine

L'une des préoccupations actuelles à l'échelle mondiale et l'un des principaux problèmes du développement des zones arides, semi-arides et les régions isolées où l'accès à l’énergie classique est difficile voire pratiquement impossible, c'est l'approvisionnement en eau, soit pour la consommation domestique (de personnes), soit pour l'agriculteur (élevage et irrigation). Compte tenu de l'importance du potentiel éolien et la demande accrue de l'utilisation des systèmes à énergie renouvelable pour le pompage d'eau, les avantages des pompes éoliennes sont énormes : fiabilité, rentabilité à long terme, fonctionnement simple etc...Mais l'inconvénient majeur des systèmes utilisant des énergies propres est qu'ils nécessitent un certain investissement financier dont la durée d'amortissement peut parfois s'avérer longue. Ce projet vise à optimiser le rendement des différents convertisseurs d'énergie et permettra donc de diminuer cette durée. D'un point de vue économique, ceci est donc rentable pour le consommateur. Dans les systèmes de conversion d'énergie éolienne, un contrôle en boucle fermée est nécessaire pour maximiser la puissance d'énergie éolienne capturée. L'inconvénient majeur d'un tel système est le comportement extrêmement non linéaire de l'éolienne / génératrice. Les stratégies de commandes conventionnelles ont montrées une faible résistance aux perturbations externes, de faible performance de convergence et une mauvaise stabilité face à des conditions environnementales changeantes. Les informations précises sur la vitesse du vent et la vitesse de rotation de la génératrice sont essentiellement nécessaires pour faire fonctionner le système à des points de puissance maximale. Dans la plupart des cas, un certain nombre d'anémomètres entourant l'éolienne à une certaine distance sont nécessaires pour fournir des informations adéquates sur la vitesse du vent. Ces capteurs mécaniques augmentent considérablement les coûts d'équipement et de maintenance et réduisent la fiabilité globale du système. Dans cette thèse on s'intéresse à l'étude des systèmes de pompage d'eau à l'aide des éoliennes à vitesse variable. L'objectif vise à développer et à fabriquer un système de pompage d'eau intelligent, d'assurer une utilisation meilleure du système global notamment l'optimisation de la puissance produite par l'éolienne à vitesse variable et l'amélioration du débit pompé. Cette thématique de recherche s'articule autour des axes suivants : la modélisation et le dimensionnement des éléments du système éolien et de la pompe, l'étude des convertisseurs adéquats à l'éolienne à vitesse variable et au moteur-pompe, l'étude des commandes MPPT pour réguler et pour maximiser la puissance générée par l'éolienne, la proposition des commandes robustes pour améliorer le fonctionnement du système éolien et du groupe moteur pompe. Ce projet vise également : l'élimination des capteurs mécaniques (vitesse du vent, position et vitesse de rotation) dans une commande de maximisation de la puissance (Maximum Power Point Tracking). L'idée consiste à utiliser des observateurs d'états capables d'estimer les grandeurs mécaniques en utilisant des capteurs moins coûteuxOne of the current concerns on a global scale and one of the main problems in the development of arid, semi-arid and isolated regions where access to conventional energy is difficult if not practically impossible, is 'water supply, either for domestic consumption (by people), or for the farmer (breeding and irrigation). Considering the importance of wind potential and the increased demand for the use of renewable energy systems for pumping water, the advantages of wind pumps are enormous: reliability, long term profitability, simple operation etc ... But the major drawback of systems using clean energy is that they require a certain financial investment, the payback period of which can sometimes prove to be long. This project aims to optimize the efficiency of the various energy converters and will therefore reduce this duration. From an economic point of view, this is therefore profitable for the consumer. In wind power conversion systems, closed loop control is required to maximize the captured wind energy power. The major drawback of such a system is the extremely non-linear behavior of the wind turbine / generator. Conventional control strategies have shown poor resistance to external disturbances, poor convergence performance, and poor stability in the face of changing environmental conditions. Accurate wind speed and generator rotational speed information is essentially needed to operate the system at maximum power points. In most cases, a number of anemometers surrounding the wind turbine at a distance are needed to provide adequate information on wind speed. These mechanical sensors increase considerably equipment and maintenance costs and reduce the overall reliability of the system. In this thesis, we are interested in the study of water pumping systems using variable speed wind turbines. The objective is to develop and manufacture an intelligent water pumping system, ensuring better use of the overall system, in particular the optimization of the power produced by the variable speed wind turbine and the improvement of the pumped water flow. This research theme revolves around the following axes: modeling and sizing of the elements of the wind power system and the pump, the study of suitable converters for the variable speed wind turbine and the pump motor, the study of MPPT controls to regulate and maximize the power generated by the wind turbine, the proposal of robust controls to improve the operation of the wind power system and the pump motor unit. This project also aims: the elimination of mechanical sensors (wind speed, position and speed of rotation) in a power maximization control (Maximum Power Point Tracking). The idea consist to use state observers capable of estimating mechanical quantities using less expensive sensor

Adaptation mechanism techniques for improving a model reference adaptive speed observer in wind energy conversion systems

International audienceRotational speed sensor is one of the most important components used in wind energy conversion system control strategies. The latter is very expensive and may be faulty due to the harsh environment working, causing by that a low efficiency operation of the system. The use of a speed estimator or an observer may be a good alternative solution for the use either in sensorless control or detecting the sensor failure or degradation (FDI and FTC), provided that the observer is robust and ensures high rotational speed estimation accuracy. This paper presents a comprehensive study to solve the optimization problem of a model reference adaptive speed (MRAS) observer in a typical wind energy generation system based on permanent magnet synchronous generator using five adaptation mechanisms: The first one is the classical MRAS observer; it is based on proportional-integral (PI) controller. The second one uses a fuzzy logic controller (FLC) with two inputs. The third one uses the single-input fuzzy logic controller which represents the simplification of the conventional FLC. The fourth one uses the sliding mode controller, and the last one uses the super-twisting algorithm. A detailed comparison between the five adaptation mechanisms is carried out. The obtained results show a good estimation stability as well as a fast speed estimation at dynamic regime for the improved adaptation mechanisms compared with the conventional PI controller

Fuzzy-Variable Gain Super Twisting Algorithm Control Design for Direct-Drive PMSG Wind Turbines

58th IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Nice, FRANCE, DEC 11-13, 2019International audienceThis paper presents a nonlinear control strategy based on variable gain super-twisting algorithm (VGSTA) assisted with a fuzzy logic controller (FLC) to maximize the extracted power of a wind energy conversion system (WECS). The studied system in this paper is composed by: a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator, a controlled bridge rectifier connected to a permanent-magnet DC motor used to drive a centrifugal pump. Unlike the most studied standalone wind energy conversion systems in literature, that use a resistive load, this work consider a nonlinear load represented by a motor-pump group. The proposed Field Oriented Control (FOC) based on Fuzzy-Variable Gain Super Twisting Algorithm, allows dealing with the non-linearity of the wind turbine and load characteristics, adding to that the different perturbations and disturbances that such system can occurs. The obtained results show high tracking performances with very small error, without chattering phenomenon and a high stability and robustness against wind speed change

Signed-Distance Fuzzy Logic Controller Adaptation Mechanism based MRAS Observer for Direct-Drive PMSG Wind Turbines Sensorless Control

International audienc

Robust SM Observer for COVID data prediction and Parameters Estimation

International audienceThe prediction and observation of the growth, and the peaks reproduction of the Coronavirus are of main importance. In this study, we revisit the old deterministic SIR model and show its ability to describe the disease spread; Then we use it to try some observers to avoid acquisition perturbations and measurements imperfections. After finite time converging observations an output re-injection is used for parameters estimation. Note that the data are not provided by sensors which are regular in their measurements, synchronised in time and robust versus noise

Robust SM Observer for COVID data prediction and Parameters Estimation

International audienceThe prediction and observation of the growth, and the peaks reproduction of the Coronavirus are of main importance. In this study, we revisit the old deterministic SIR model and show its ability to describe the disease spread; Then we use it to try some observers to avoid acquisition perturbations and measurements imperfections. After finite time converging observations an output re-injection is used for parameters estimation. Note that the data are not provided by sensors which are regular in their measurements, synchronised in time and robust versus noise Index Terms-Compartment models of virus propagation, Observation and prediction, Data filtering, Parameters estimation, Compensation of measurements imperfection and perturbations, Super-Twisting Algorithm (STA)

Integral Sliding Mode Control with Exponential Reaching law for PMSM in Electric Vehicles

14th IFAC Workshop on Adaptive and Learning Control Systems (ALCOS), Casablanca, MOROCCO, JUN 29-JUL 01, 2022International audienceIn electric vehicles (EV), control strategies play an important role in energy management and disturbance rejection. The studied electric vehicle traction chain in this article consists of a permanent-magnet synchronous motor (PMSM), an inverter and transmission. The proposed robust field oriented control strategy is based on integral sliding mode concept with exponential reaching law (ISMC-ERL). Unlike the conventional control techniques that lead to chattering effect, the adopted control scheme allows avoiding this drawback and ensuring a high performances, the ISMC-ERL allows also achieving high control performance in case of appearance of external load and parameter variations. Computer simulation using Matlab/Simulink environment have been carried out to evaluate the performance and the consistency of the proposed control approach. Copyright (C) 2022 The Authors

Signed-Distance Fuzzy-Logic Sliding-Mode Control Strategy for Floating Interleaved Boost Converter

International audienc