Pour la détermination des performances de l’onduleur et de la qualité du signal de sortie, il est nécessaire de mentionner quelques paramètres, dont le facteur de distorsion d’harmonique totale THD (Total Harmonic Distortion). Ce facteur est déterminé par :
2
V1: valeur efficace du fondamental de la tension.
Veff: valeur efficace de la tension de sortie.
La Figure (4.11) montre le facteur de distorsion d’harmonique totale en fonction de l’indice de modulation en amplitude pour les deux inverseurs à deux et trois niveaux.
Ces arrangements de modulation sont développés pour les inverseurs de haute puissance fonctionnant avec une fréquence de commutation au-dessous de 1kHz pour la réduction des pertes de commutation [84]. On peut remarquer que l’onduleur à trois niveaux donne une
haute performance par rapport à l’inverseur à deux niveaux comme le montre la Figure (4.11).
Figure (4.11): Le profil de THD de la tension de sortie a produit par les inverseurs à deux et à trois niveaux.
La Figure (4.12) montre la simulation de la tension de sortie van pour un indice de modulation Mi = 0.6 et une fréquence de commutation fMLI =4kHz, quand les tensions d’entrées sont triphasées sinusoïdales de fréquence 50Hz et d’amplitude de la tension continue vdc=600V. Lors du pilotage par MLI vectorielle à trois niveaux, le THD est de 37.43%. Par contre, pour la commande MLI vectorielle à deux niveaux, le THD est de 103.34. Ceci montre l’avantage d’utiliser un inverseur à trois niveaux devant l’inverseur à deux niveaux.
MLI vectorielle pour un inverseur 2 niveaux MLI vectorielle pour un inverseur 3 niveaux Figure (4.12): Réponses des tensions de sortie et leurs Spectre d’harmoniques d’inverseur à deux et à trois
niveaux de type NPC pour une charge inductive R=100Ω et L=33.3mH.
4.6 Résultats de simulation
Les paramètres de la machine à induction et les autres paramètres de la commande directe du couple seront cités en Annexe B.
Une série de simulations est présentée dans ce chapitre pour démontrer l'exécution de la commande directe du couple DTC-SVPWM avec l'inverseur à deux et à trois niveaux. Le chapitre se concentre principalement sur la qualité de la puissance transmise par le système de conversion d'énergie éolienne. L'exécution du système est également évaluée dans la condition de défaut monophasé.
Qualité de puissance
La Figure (4.13) montre les réponses de la puissance active et réactive du réseau quand le générateur à induction est commandé respectivement par l’utilisation de DTC classique et DTC-SVPWM pour un inverseur à deux et à trois niveaux. On peut noter qu’avant le démarrage de la turbine, la puissance active atteint une valeur minime représentant les pertes en fer et les pertes mécaniques du générateur. Une fois que la turbine est en marche au temps t=0.5 sec et v=10m/sec, le générateur est entraîné par un couple mécanique Tm de -11 Nm qui produit une puissance de sortie correspondante de Pg=-1.2kW vers le réseau. Quand la turbine fournit le couple nominal (Tm=-16 Nm), le générateur produit la puissance nominale de Pg= -2kW vers le réseau. La référence pour la puissance active est obtenue à partir de la stratégie de maximum de puissance MPPT. Les ondulations apparues sur le couple électromagnétique sont provoquées par la commande DTC-classique et ont un effet négatif sur la qualité de la puissance créée par le générateur à induction. Par contre, les deux commandes DTC-SVPWM pour un inverseur à deux et à trois niveaux montrent une amélioration remarquable sur la qualité énergétique du système de conversion d’énergie éolienne.
DTC-classique DTC-SVPWM à deux niveaux
DTC-SVPWM à trois niveaux Figure (4.13): Puissances active et réactive du réseau et du générateur.
Qualité de couple
La Figure (4.14) montre les réponses de la vitesse du rotor, le couple mécanique produit par la turbine avec le couple électromagnétique du générateur, le rapport de vitesse de bout λ et le coefficient de puissance Cp pour la DTC-classique et la DTC-SVPWM appliquée pour un inverseur à deux et à trois niveaux. On constate que la turbine entraîne la génératrice par une vitesse Nr de 1335 rpm pour un couple électromagnétique de -11 N.m et de 1600 rpm quand la turbine entraîne la génératrice par un couple de -16 N.m. Des ondulations importantes apparaissent sur la réponse du couple pour la commande DTC classique. Cependant, les commandes DTC-SVPWM pour un inverseur à deux et à trois niveaux ont montrée une réduction notable de ces ondulations par rapport à la commande DTC classique. Le coefficient de puissance Cp est nul avant le démarrage de la turbine, et atteint sa valeur maximale de 0.41 après le commencement de la turbine. Même remarques pour la vitesse de bout λ, seulement la valeur maximale est au bout de 8.1.
DTC-classique DTC-SVPWM à deux niveaux DTC-SVPWM à trois niveaux Figure (4.14): Vitesse de rotor de générateur, couple électromagnétique avec le couple mécanique, le rapport de
vitesse de bout λ et le Cp de coefficient de puissance.
Qualité de courant et de la tension continue
La Figure (4.15) montre l’allure de la tension de lien continu et les composantes des courants actif id et réactif iq du réseau ainsi que les formes d’onde des courants de la phase A, respectivement pour la génératrice et le réseau, dans le cas de la commande DTC classique, la commande DTC-SVPWM appliquée à un inverseur à deux et à trois niveaux.
On remarque que la tension de lien continu vdc suit sa référence de 800 V et que les courants actif et réactif suivent leurs références (pour id la référence est fixée selon le vent disponible et iq est imposée nulle). Avec le contrôle direct du couple classique on peut remarquer des ondulations sur les réponses de tension et des courants de Park de la partie réseau. Le DTC-SVPWM pour l'inverseur à deux et à trois niveaux a montré une réduction significative de
DTC-classique DTC-SVPWM à deux niveaux DTC-SVPWM à trois niveaux Figure (4.15): La tension de lien continu, les composants dq des courants du réseau et les formes d'onde des
courants de la phase A du générateur et du réseau.
Qualité de flux
La Figure (4.16) montre le module et la trajectoire circulaire du flux du stator respectivement pour la commande DTC classique, DTC-SVPWM appliquée à un inverseur à deux et à trois niveaux. Le module du flux du stator atteint la valeur de 1Wb. Le traçage du flux øsα de l’axe direct α en fonction du flux øsβ de l’axe quadratique β prend la forme d’un cercle unitaire.
DTC-classique DTC-SVPWM à deux niveaux DTC-SVPWM à trois niveaux Figure (4.16): Réponses du module et le lieu du flux de stator
Défaut monophasé
La Figure (4.17) représente les résultats de simulation des tensions, respectivement de la phase A du réseau et de lien continu et les puissances active et réactive du réseau, en cas d’un défaut monophasé (une chute de tension pour la phase A de ∆v=20% de la valeur maximale). Après l’application de défaut à l’instant t=0.9 sec jusqu’à t=1.2, avec une durée de défaut de 0.3 sec, on remarque des grandes ondulations sur les réponses de la tension de lien continu vdc et les puissances active Pg et réactive Qg du réseau pour la commande DTC-classique. Concernant la commande DTC-SVPWM appliquée à un inverseur à deux niveaux, on remarque une diminution notable de ces ondulations sur toutes les grandeurs électriques (soit la tension de lien continu ou les puissances du réseau). Par rapport aux deux commandes citées précédemment, on remarque une qualité supérieure dans le cas de l’utilisation de la commande DTC-SVPWM appliquée à un inverseur à trois niveaux.
Figure (4.17): Réponse de la tension de la phase A du réseau, tension de lien continu, les puissances active et réactive du réseau avec un défaut monophasé.
4.7 Conclusion
Ce chapitre présente une comparaison entre la commande directe du couple conventionnelle DTC-SVM et la commande directe de couple et de flux DTC-SVPWM pour un inverseur à deux et trois niveaux sur la qualité de puissance produite par une génératrice à induction à vitesse variable. La génératrice à induction à cage d’écureuil SCIG est entraînée par une turbine éolienne qui utilise une stratégie de maximum de puissance MPPT. La génératrice est commandée par le contrôle direct du couple classique DTC-SVM et DTC-SVPWM à deux niveaux et à trois niveaux pour commander l’onduleur à source de tension. Cette stratégie de contrôle est excellente devant les ondulations du couple grâce à
l’utilisation de la modulation de largeur d’impulsion vectorielle SVPWM, avec le contrôle direct du couple.
Les résultats de simulation obtenus pour les trois types de commande montrent une réduction considérable des ondulations sur les réponses du couple et du flux pour la commande DTC-SVPWM, pour un inverseur à deux et trois niveaux, devant la commande DTC-SVM classique ; ce qui réduit les ondulations sur le couple et par conséquent une amélioration nette sur la qualité énergétique du système global.
La tension de lien continu et les composantes des courants active et réactive du réseau sont contrôlées au moyen d’un régulateur classique PI. Les états des interrupteurs de l’onduleur à deux et trois niveaux du côté réseau sont obtenus par l’utilisation de la technique de MLI vectorielle SVPWM. Pour améliorer encore la qualité et la robustesse du système face au défaut, une commande robuste multivariable par un régulateur H∞ sera utilisée dans le chapitre suivant.
Commande robuste de la partie
réseau
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5.1 Introduction
La technologie moderne est basée essentiellement sur la minimisation de la taille et du coût des systèmes de contrôle avec le fonctionnement le plus fidèle pendant les perturbations. Ces avantages sont affirmés par les commandes robustes multivariables.
La synthèse d'une loi de commande se fait généralement sur un modèle nominal simplifié qui ne prend pas en compte toute la complexité du système (petites constantes de temps ou légers temps morts négligés, hypothèses simplificatrices, incertitudes sur les paramètres ou les mesures lors des identifications). Des dynamiques sont négligées, comme celles qui se trouvent en dehors de la bande passante du système asservi, les valeurs des paramètres du modèle sont considérés égales à leurs valeurs nominales.
Du fait de ces évaluations, il est généralement essentiel de recourir à une étape de validation à posteriori de la loi de commande. On parle d'analyse de la robustesse, il s'agit en fait, d'analyser la robustesse du comportement du système asservi face aux perturbations externes (variation des conditions de fonctionnement, comme la température) ou internes (variation des paramètres) du système.
L'analyse de la robustesse s'appuie habituellement sur la formulation d'un modèle variant dans le temps, variation qui peut s'exprimer en fonction d'un certain nombre de paramètres incertains.
On peut désigner deux principales sources de perturbation susceptibles de déstabiliser un système asservi ou de réduire ses performances: les variations de ses paramètres et les dynamiques négligées. Pour traiter le second cas, celui des dynamiques qui ont été négligées lors de la synthèse, il suffit simplement de les inclure dans le modèle d'analyse. On se retrouve donc finalement à analyser la robustesse à partir d'un modèle qui peut être plus sophistiqué que le modèle de synthèse et dont les paramètres sont incertains dans certains intervalles et qui peuvent, selon les cas, varier au cours du temps avec des dynamiques éventuellement bornées.
Avant de se lancer dans l'analyse de la robustesse, c'est-à-dire dans l'étude des modifications du comportement du système en fonction des paramètres, il convient de connaître son fonctionnement nominal.
La synthèse H∞ propose un cadre général pour le calcul d'un correcteur, en manipulant des concepts fréquentiels. Elle permet de prendre en compte des objectifs de stabilité, des marges de stabilité et de modelage de différents transferts, voire certains objectifs de robustesse.
Le système de contrôle proposé a les avantages suivants: la robustesse contre l'incertitude des paramètres du modèle et les perturbations externes, une réponse rapide et la capacité de rejeter le bruit.