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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC

MÉMOIRE PRÉSENTÉ À

L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC EN ABITIBI-TEMISCAMINGUE

COMME EXIGENCE PARTIELLE

DE LA MAÎTRISE EN INGÉNIERIE

PAR

GUILLAUME PONGO NYOUMEA

MODÈLES D'IDENTIFICATION ET DE COMMANDE D'UN AÉROGÉNÉRATEUR

À MACHINE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS.

Avril2018

Mise en garde

La bibliothèque du Cégep de l'Abitibi-Témiscamingue et de l'Université du Québec en Abitibi-

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Résumé

Le présent travail s'intéresse au développement des modèles d'essais, de commande et d'identification des paramètres d'une machine synchrone à aimants permanents (MSAP)

utilisée dans le système éolien. Les modèles de la machine sont étudiés en mode moteur et

générateur, et permettent une bonne prédiction des essais de court-circuit, d'enclenchement et

de délestage de charge. La modélisation de la machine synchrone à aimants permanents et la simulation des essais dynamiques ont été mises en oeuvre dans l'environnement virtuel Matlab/Simulink, et validées par comparaison des résultats obtenus aux essais expérimentaux réalisés sur une machine de 2kW. Une technique d'identification associant l'estimateur aux moindres carrés pondérés et un algorithme d'optimisation de type Quasi-Newton est utilisée pour estimer les paramètres électriques de la machine synchrone à aimants permanents, à partir des essais dynamiques. La

technique d'identification est validée en utilisant les mesures prélevées sur une MSAP de 2kW.

Un essai de ralentissement à vide de la machine a aussi été réalisé afin de déterminer les

paramètres mécaniques.

Les modèles de la

MSAP développés sont utilisés pour élaborer une commande plus efficace, au sein du système de conversion d'énergie éolienne. Les lois de commande proposées sont implémentées dans Matlab/Simulink et utilisées respectivement pour réguler la vitesse de la MSAP en suivant le point de puissance maximale du vent, et la gestion des flux de puissances (active et réactive) en régulant la tension du bus DC.

La stratégie de commande utilisée offre la

possibilité de contrôler indépendamment les puissances active et réactive. Les deux boucles de

régulation (courant et tension) pour l'onduleur coté réseau sont complètement découplées.

i

Abstract

Models testing, control and identification of physical parameters of a Permanent-Magnet

Synchronous Generator

(PMSG) from a wind turbine were conduct in this work. Models studied in mot or and generator mode has led to good prediction of short-circuit test, interlocking and unloading of Joad. Matlab has been used for modeling, dynamic testing and simulation of the PMSG. Results from the mode! developed were validated by comparison with experimental test data from a synchronous machine of2kW. The weighted !east squares estimator and a Quasi Newton optimization algorithm were used to estimate the electrical parameters of the PMSG. The identification technique is validated from experimental test data of a 2kW MSAP. A slowdown test of the machine without Joad were also performed to determine the mechanical parameters.

The developed

PMSG models were used to design more efficient and robust control of a wind turbine. The proposed control laws were implemented in Matlab/Simulink and used respective! y to regulate the speed of the PMSG by following the maximum power point and to control the power flows by regulating the DC bus voltage. The control strategy used provides the ability to independently control active and reactive powers. The two controlloops ( current and voltage) for the inverter on the grid si de are complete! y decoupled.

Remerciements

Les travaux présentés dans ce mémoire de maîtrise ont été réalisés à l'École de Génie de

l'Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue (UQAT), sous la direction de Monsieur

René Wamkeue (ing,

Ph. D), professeur titulaire à l'UQAT, avec le soutien de nombreuses personnes qui m'ont aidé dans sa réalisation.

Tout d'abord,

je tiens à remercier mon Directeur de recherche, le Professeur René Wamkeue,

pour m'avoir proposé ce sujet de recherche. J'ai beaucoup apprécié son aide et sa rigueur dans

le travail, notamment les remarques constructives lors de nos échanges.

Tout de même, Monsieur

Fouad Slaoui Hasnaoui mon co-directeur, et professeur à l'UQAT,

pour ses précieux conseils, son orientation ficelée tout au long de cette recherche, et sa relecture

méticuleuse de chacun des chapitres de ce manuscrit.

Je tiens

à remercier sincèrement, M. Jean-Jacques Beaudoin, chargé des laboratoires à l'UQAT, pour sa disponibilité, ses compétences pratiques et son assistance physique pour la réalisation du banc d'essai expérimental.

Je souhaite particulièrement remercier

M. Gabriel Ekemb, Tommy Theubou, doctorants de

1 'Université du Québec

à Chicoutimi, en accueille à l'Université du Québec en Abitibi-Témiscaminque, pour leurs grandes qualités humaines et scientifiques.

J'ai également

beaucoup apprécié nos discutions constructives. Je suis également reconnaissant envers les Membres du jury de m'avoir fait l'honneur de présider le jury de cette soutenance de mémoire, malgré leurs multiples activités. Aussi mes remerciements vont aux personnels administratifs de l'UQAT, pour leur gentillesse et m'avoir facilité de nombreuses tâches.

Enfin, j'aimerais remercier

ma chère épouse Rose, nos enfants Kendall et Liam-Evan, pour leurs soutiens quotidiens indéfectibles

à l'égard de mes travaux de maîtrise.

Mes remerciements ne peuvent s'achever, sans une pensée pour mes parents et mes frères et soeurs, qui m'ont toujours soutenu et encouragé pendant cette longue épreuve. iii

Table des matières

Résumé ........................................................................ ..................................................................... i A

bstract. .......................................................................................................................................

.. ii Remerciements ........................................................................ ..................................................... iii Liste des figures ........................................................................ .................................................. viii Liste des tableaux ........................................................................ ............................................... xiii

Liste des symboles

et abréviations ........................................................................ ................... xiv

Chapitre

1: Introduction générale ........................................................................

...................... l

1.1 Motivations socio-économiques ........................................................................

.................. 1 1.2 Problématique ........................................................................ ................................................ 3

1.3 Objectifs ........................................................................

......................................................... 4 1.4 Limitations du sujet ........................................................................ ...................................... 5

1.5 Aperçu du sujet ........................................................................

............................................. 5

Chapitre 2: Revue de la littérature et méthodologie ............................................................... 7

2.1 Introduction ........................................................................

................................................... 7

2.2 Sur la modélisation ........................................................................

....................................... 7

2.3 Sur l'identification paramétrique et la commande 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 8

2.4 Méthodologie ........................................................................

................................................ 9

2.4.1 Méthode ........................................................................

................................................... 9

2.4.2 Matériel ........................................................................

.................................................. lO

Chapitre 3: Modélisation de la machine synchrone à aimants permanents ...................... 11

3.1 Introduction ........................................................................

................................................. 11

3.2 Généralités sur les machines synchrones à aimants permanents 0000000000000000000000000000000000000 12

3.2.1 Constitution ........................................................................ ........................................... 12 3.2.2

Disposition des aimants dans le rotor 000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

0012

3.3 Equations électromécaniques de la MSAP en grandeurs de phase 0000000000000000000000000000000000 13

3.3.1

Hypothèses simplificatrices ........................................................................

.................. 13

3.3.2 Définition des enroulements de la MSAP 000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000014

3.3.3 Equations de fonctionnement de la MSAP 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000014

3.4 Modèles de Park de la machine synchrone à aimants permanents 0000000000000000000000000000000000 20

3.4.1 Transformation de Park ........................................................................

........................ 20

3.4.2 Equations électriques dans les axes d'et q' 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000022

3.4.3 Équations magnétiques dans les axes d'et q' 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000023

3.4.4 Équation de couple dans le référentiel de Park 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000024

iv

3.5 Circuit équivalent de la MSAP en régime transitoire ....................................................... 26

3.6 Conversion des équations électromécaniques en grandeurs réduites .............................. 27

3.6.1 Équations électriques et magnétiques en valeur réduite .............................................

28

3.6.2 Équations mécaniques en valeurréduite ...................................................................... 31

3.7 Machine synchrone à aimants permanents triphasée en régime permanent .................... 32

3.7.1 Équations du régime permanent

à partir du régime dynamique ................................. 32

3.7.2 Analyse du régime permanent

à l'aide des phaseurs ................................................. 33

3.7.3 Circuit équivalent en régime permanent.. ................................................................... 35

3.7.4 Determination de l'angle interne de MSAP ............................................................... 36

3.8 Puissances actives et réactives développées ..................................................................... 36

3.9 Modèles de la

MSAP dans l'espace d'état ........................................................................

37

3.9.1 Modèle électrique de la MSAP avec courant comme variables d'état ...................... 38

3.9.2 Modèle d'état mécanique de la machine synchrone à aimants permanents .............. 38

3.9.3 Modèle d'état électromécanique de la MSAP ............................................................. 39

3.10 Modèle de la charge inductive et résistive .............................................................. ..40

3.11 Modèle d'état complet de la MSAP avec charge électrique associée, commandée

par le couple mécanique .................................................................. .41

3.12 Calcul des conditions initiales ........................................................................

.................. 45

3.13 Mise en oeuvre de quelques essais dynamiques .............................................................. 47

3.13

.1 Principe de 1' essai de court-circuit triphasé ............................................................. .4 7

3.13.2 Principe de l'essai de délestage de charge ................................................................ .47

3.13.3 Principe de l'essai d'enclenchement de charge ........................................................ .48

3.14 Simulation numérique de la

MSAP avec charge inductive et résistive associée .......... 49

3.14.1 Essai de court-circuit triphasé ........................................................................

........... .49

3.14.2 Enclenchement d'une charge inductive et résistive ...................................................

50

3.14.3 Délestage d'une charge inductive et résistive ............................................................ 53

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