Sur les stratégies de commande pour l'optimisation et la régulation de puissance des éoliennes à vitesse variable

The research work is dealing with variable speed wind turbines modelling and control design, in order to achieve the objectives of maximizing the extracted energy from the wind, below the rated power area in the one hand and in the other hand regulating the electric power production, above the rated power area, while reducing mechanical transient loads. Thus far, wind turbines control is achieved by using classical regulators by means of PI or PID. The related performance are acceptable for low turbulent wind speed, however, they dramatically decrease during fast wind speed variations. So then, due to the strong non-linearity of the wind turbine aerodynamics, its dynamic aspect and the turbulent nature of the wind, advanced control techniques are being imperative to ensure more efficient wind power system operation.For this purpose, we have studied various control strategies from linear to nonlinear based approaches and for which the advantages and drawbacks have been outlined with regards to the required performance. Some of the controllers that we have developed, herein appear for the first time in the relevant domain, the remaining others are an adaptation of well know controllers to the adopted wind turbine models. As matter of fact, we have derived two wind turbine models as well as a wind speed estimator. Indeed, the estimator allows obtaining the effective wind speed which cannot be measured, since the wind profile around the rotor is variable in time and space. As results, it has been shown that single input control by means of pitch angle or generator control cannot succeed to simultaneously drive the electric power output regulation and the rotor speed reference tracking. So then, our idea is to combine nonlinear dynamic state feedback torque control and pitch linear based control which turns out to be the best strategy. In addition, the validation of the controllers performance, using a high turbulence wind speed profile, has been performed through wind turbine simulators provided by NREL (National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO), has confirmed the theoretical results and has led to quite satisfactory conclusions in terms of energy capture optimization, power regulation and disturbances strong rejection as well.Le travail présenté dans cette thèse porte sur la modélisation et la commande des éoliennes à vitesse et calage variables afin d'atteindre les deux objectifs principaux: à vents faibles, maximiser la capture de l'énergie du vent d'une part et à vents forts, réguler la puissance électrique produite d'autre part. Dans les deux cas, il s'agira également de réduire les charges mécaniques transitoires.A l'heure actuelle, les commandes des systèmes éoliens sont réalisées à l'aide de régulateurs classiques PI ou PID. Leurs performances sont satisfaisantes lorsque le vent n'est pas trop turbulent mais cependant celles-ci se dégradent notablement lors des variations rapides de la vitesse du vent. Par conséquent, il est nécessaire de disposer de systèmes de commande plus performants afin de prendre en compte la forte non-linéarité de l'aérodynamique de l'éolienne, son aspect dynamique et la nature turbulente du vent.Pour cela, nous avons étudié différentes stratégies de commande, en soulignant leurs avantages et inconvénients par rapport aux performances attendues. Parmi les contrôleurs que nous avons développés, si certains sont une adaptation de techniques bien connues pour les modèles de l'éolienne, en revanche les autres apparaissent pour la première fois dans ce domaine. A vents faibles, nous avons élaboré des commandes non linéaires, avec estimateur de la vitesse du vent, qui permet d'obtenir la vitesse du vent fictif qui ne peut pas être mesurée, vu la variabilité spatiotemporelle du profil du vent autour du rotor.Pour la commande à vents forts, il est montré qu'une commande monovariable en calage ou en couple du générateur ne permet pas d'atteindre le double objectif de réguler à la fois la puissance électrique et la vitesse du rotor. Par conséquent, notre idée est de combiner une commande non linéaire par retour d'état dynamique en couple et une commande linéaire en pitch. Cette stratégie s'avère être la meilleure.La validation des performances des contrôleurs a été réalisée avec des simulateurs aéroélastiques d'éoliennes, développés par NREL (National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO) en utilisant des profils de vent de forte turbulence. Les résultats sont satisfaisants aussi bien en termes d'optimisation de la capture de l'énergie du vent qu'en régulation de puissance

Commande non linéaire avec estimateur d'une éolienne à vitesse variable

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Comparison between linear and nonlinear control strategies for variable speed wind turbine power capture optimization

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Sur les stratégies de commande pour l'optimisation et la régulation de puissance des éoliennes à vitesse variable

LE TRAVAIL PRESENTE DANS CETTE THESE PORTE SUR LA MODELISATION ET LA COMMANDE DES EOLIENNES A VITESSE VARIABLE ET CALAGE VARIABLE AFIN D'ATTEINDRE LES DEUX OBJECTIFS PRINCIPAUX: MAXIMISER LA CAPTURE DE L'ENERGIE DU VENT EN DESSOUS DE LA PUISSANCE NOMINALE D'UNE PART ET REGULER LA PUISSANCE ELECTRIQUE PRODUITE AU DESSUS DE LA PUISSANCE NOMINALE D'AUTRE PART. IL S'AGIRA EGALEMENT DE REDUIRE LES CHARGES MECANIQUES TRANSITOIRES.A VENTS FAIBLES, NOUS AVONS ELABORE DES COMMANDES NON LINEAIRES, AVEC ESTIMATEUR DE LA VITESSE DU VENT, QUI PERMET D'OBTENIR LA VITESSE DU VENT FICTIF QUI N'EST PAS MESURABLE, VU LA VARIABILITE SPATIOTEMPORELLE DU PROFIL DU VENT AUTOUR DU ROTOR. CES COMMANDES PERMETTENT DE PRENDRE EN COMPTE LA FORTE NON-LINEARITE DE L'AERODYNAMIQUE DE L'EOLIENNE, SON ASPECT DYNAMIQUE ET LA NATURE TURBULENTE DU VENT. A VENTS FORTS, IL EST MONTRE QU'UNE COMMANDE MONOVARIABLE EN CALAGE OU EN COUPLE DU GENERATEUR NE PERMET PAS D'ATTEINDRE LE DOUBLE OBJECTIF DE REGULER A LA FOIS LA PUISSANCE ELECTRIQUE ET LA VITESSE DU ROTOR. NOUS AVONS ALORS COMBINE UNE COMMANDE NON LINEAIRE PAR RETOUR D'ETAT DYNAMIQUE EN COUPLE ET UNE COMMANDE LINEAIRE EN PITCH. CETTE STRATEGIE S'AVERE ETRE LA MEILLEURE. PARMI LES CONTROLEURS QUE NOUS AVONS DEVELOPPES, SI CERTAINS SONT UNE ADAPTATION DE TECHNIQUES BIEN CONNUES, EN REVANCHE LES AUTRES APPARAISSENT POUR LA PREMIERE FOIS DANS CE DOMAINE. LA VALIDATION DES PERFORMANCES DES CONTROLEURS A ETE REALISEE AVEC DES SIMULATEURS AEROELASTIQUES EN UTILISANT DES PROFILS DE VENT DE FORTE TURBULENCE. LES RESULTATS SONT SATISFAISANTS AUSSI BIEN EN TERMES D'OPTIMISATION DE LA CAPTURE DE L'ENERGIE DU VENT QU'EN REGULATION DE PUISSANCE.THE RESEARCH WORK IS DEALING WITH VARIABLE SPEED WIND TURBINES MODELLING AND CONTROL DESIGN, IN ORDER TO ACHIEVE THE OBJECTIVES OF MAXIMIZING THE EXTRACTED ENERGY FROM THE WIND, BELOW THE RATED POWER AREA IN THE ONE HAND AND IN THE OTHER HAND REGULATING THE ELECTRIC POWER PRODUCTION, ABOVE THE RATED POWER AREA, WHILE REDUCING MECHANICAL TRANSIENT LOADS. FOR THIS PURPOSE, WE HAVE STUDIED VARIOUS CONTROL STRATEGIES FROM LINEAR TO NONLINEAR BASED. SOME OF THE CONTROLLERS THAT WE HAVE DEVELOPED, HEREIN APPEAR FOR THE FIRST TIME IN THE RELEVANT DOMAIN, THE REMAINING OTHERS ARE AN ADAPTATION OF WELL KNOW CONTROLLERS TO THE ADOPTED WIND TURBINE MODELS. AS MATTER OF FACT, WE HAVE DERIVED TWO WIND TURBINE MODELS AS WELL AS A WIND SPEED ESTIMATOR. INDEED, THE ESTIMATOR ALLOWS OBTAINING THE EFFECTIVE WIND SPEED WHICH CANNOT BE MEASURED, SINCE THE WIND PROFILE AROUND THE ROTOR IS VARIABLE IN TIME AND SPACE. AS RESULTS, IT HAS BEEN SHOWN THAT SINGLE INPUT CONTROL BY MEANS OF PITCH ANGLE OR GENERATOR CONTROL CANNOT SUCCEED TO SIMULTANEOUSLY DRIVE THE ELECTRIC POWER OUTPUT REGULATION AND THE ROTOR SPEED REFERENCE TRACKING. SO THEN, OUR IDEA IS TO COMBINE NONLINEAR DYNAMIC STATE FEEDBACK TORQUE CONTROL AND PITCH LINEAR BASED CONTROL WHICH TURNS OUT TO BE THE BEST STRATEGY. IN ADDITION, THE VALIDATION OF THE CONTROLLERS PERFORMANCE, USING A HIGH TURBULENCE WIND SPEED PROFILE, HAS BEEN PERFORMED THROUGH WIND TURBINE SIMULATORS PROVIDED BY NREL (NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY, GOLDEN, CO), HAS CONFIRMED THE THEORETICAL RESULTS AND HAS LED TO QUITE SATISFACTORY CONCLUSIONS IN TERMS OF ENERGY CAPTURE OPTIMIZATION, POWER REGULATION AND DISTURBANCES STRONG REJECTION AS WELL.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Commande Adaptative Non Linéaire d'une Eolienne à Vitesse Variable Equipée d'une Génératrice Asynchrone Double Alimentée

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