Recherche sur le convertisseur de fréquence d'excitation pour les éoliennes à vitesse variable et fréquence constante

1 Introduction​
L'énergie éolienne est une source d'énergie renouvelable dotée d'un potentiel de développement significatif. Ces dernières années, la technologie éolienne a attiré l'attention de nombreux chercheurs à travers le monde. En tant que direction clé pour le développement de l'énergie éolienne, la technologie à vitesse variable et fréquence constante (VSCF) utilise le système éolien à double alimentation comme solution optimisée. Dans ce système, les enroulements du stator du générateur sont connectés directement au réseau, tandis que le contrôle VSCF est réalisé en régulant la fréquence, l'amplitude, la phase et la séquence de phase de l'alimentation des enroulements du rotor. Puisque le convertisseur ne transmet que la puissance de glissement, sa capacité peut être considérablement réduite.

Actuellement, les systèmes éoliens à double alimentation utilisent principalement des convertisseurs AC/AC ou AC/DC/AC. Les convertisseurs AC/AC ont été largement remplacés par les convertisseurs AC/DC/AC à source de tension en raison de leurs harmoniques de sortie élevées, de leur faible facteur de puissance d'entrée et de l'utilisation excessive de dispositifs de puissance. Bien que les convertisseurs matriciels aient été explorés pour les systèmes à double alimentation, leur structure complexe, leurs exigences élevées en termes de tension et leur contrôle non décorrélé d'entrée/sortie limitent leur adoption dans les applications éoliennes.

Cette étude développe un système éolien à double alimentation AC/DC/AC à source de tension contrôlé par deux DSP. Le convertisseur côté réseau adopte un contrôle vectoriel orienté vers la tension, tandis que le convertisseur côté rotor utilise un contrôle vectoriel orienté vers le flux du stator. Les expériences confirment que le système supporte un flux de puissance bidirectionnel, une régulation indépendante du facteur de puissance d'entrée/sortie, une distorsion harmonique faible, un fonctionnement stable sur une large plage, et une production d'électricité de haute qualité à partir de sources d'énergie instables comme le vent.

​2 Configuration du système​
Comme le montre la Figure 1, le système comprend cinq parties :

• Générateur à double alimentation (générateur synchrone à rotor bobiné)
• Convertisseur AC/DC/AC bidirectionnel à source de tension (rectificateur/inverseur triphasé dos-à-dos utilisant des modules IPM)
• Contrôleur à double DSP (DSP fixe TMS320LF2407A + DSP flottant TMS320VC33)
• Dispositif de protection de connexion au réseau (contacteurs rotor/stator)
• Éolienne virtuelle à vitesse variable (moteur CC + système de commande de vitesse thyristor SIEMENS SIVOREG)

​Détails clés​

• Connexion du convertisseur : côté réseau via des inductances triphasées ; côté rotor via des bagues/brushes aux enroulements du rotor du générateur.
• Rôles des double DSP : LF2407A gère l'échange de données, la génération de PWM et les signaux du réseau ; VC33 exécute les algorithmes centraux ; la RAM à double port permet le partage de données en temps réel ; le CPLD traite le décodage d'adresse.
• Protection du réseau : en cas de défaut, déconnecter d'abord le contacteur du stator et bloquer le PWM ; retard avant d'ouvrir le contacteur du rotor.

​3 Contrôle vectoriel du générateur à double alimentation​
​3.1 Principes de contrôle​
Dans le repère tournant synchronisé (axe d aligné avec le flux du stator), le modèle du générateur à double alimentation est :
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd​=Rs​isd​+dtdψsd​​−ωs​ψsq​
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq​=Rs​isq​+dtdψsq​​+ωs​ψsd​
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd​=Rr​ird​+dtdψrd​​−ωslip​ψrq​
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq​=Rr​irq​+dtdψrq​​+ωslip​ψrd​

​Équations de flux :​​
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd​=Lm​ims​+Ls​isd​=Lm​ims​
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq​=−Lm​irq​
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd​=Lr​ird​+Lm​isd​
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq​=Lr​irq​+Lm​isq​

​Équation de couple :​​
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te​=−Ls​np​Lm​ims​irq​​

Négligeant la chute de tension due à la résistance du stator, le flux du stator satisfait :
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Stratégie de contrôle :​​

• Courant d'excitation généralisé constant du stator imsi_{ms}ims​ → Couple électromagnétique Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Pour un facteur de puissance unitaire, le courant d'excitation est entièrement fourni par le rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Après compensation de découplage par feedforward, réguler urdu_{rd}urd​ et urqu_{rq}urq​ pour contrôler respectivement le flux et le couple du rotor.

​3.2 Contrôle du réseau​

• Connexion douce au réseau :
1. Lorsque la vitesse du vent atteint la valeur de coupure, la turbine entraîne le générateur à la vitesse minimale.
2. Activer le convertisseur pour ajuster la tension du stator au réseau (amplitude, phase, fréquence).
3. Synchronisation automatique lorsque les conditions de connexion au réseau sont remplies.
• Déconnexion : Décharger progressivement jusqu'à l'état sans charge avant de se déconnecter. Doit opérer dans la plage de vitesse autorisée.

​4 Contrôle vectoriel du redresseur côté réseau​
Dans le repère tournant synchrone à deux phases (axe d aligné avec la tension de la phase A), le modèle du redresseur PWM est :
ud=Ldiddt+Rid−ωsLiq+sdudc{u_d = L\frac{di_d}{dt} + R i_d - \omega_s L i_q + s_d u_{dc}}ud​=Ldtdid​​+Rid​−ωs​Liq​+sd​udc​
uq=Ldiqdt+Riq+ωsLid+squdc{u_q = L\frac{di_q}{dt} + R i_q + \omega_s L i_d + s_q u_{dc}}uq​=Ldtdiq​​+Riq​+ωs​Lid​+sq​udc​
Cdudcdt=32(sdid+sqiq)−iload{C\frac{du_{dc}}{dt} = \frac{3}{2}(s_d i_d + s_q i_q) - i_{\text{load}}}Cdtdudc​​=23​(sd​id​+sq​iq​)−iload​

​Équations de puissance :​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Logique de contrôle :​​

• Tension du réseau constante → Réguler idi_did​ pour contrôler la puissance active ; iqi_qiq​ pour la puissance réactive.
• Équations de contrôle avec compensation de tension :
  ud∗=(R+Lddt)id−ωsLiq+ud{u_d^* = (R + L\frac{d}{dt})i_d - \omega_s L i_q + u_d}ud∗​=(R+Ldtd​)id​−ωs​Liq​+ud​
  uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗​=(R+Ldtd​)iq​+ωs​Lid​

​5 Résultats expérimentaux​
​Vérifications clés :​​

• Connexion douce fiable au réseau sur une large plage de vitesse ;
• Régulation indépendante du facteur de puissance (côté stator et réseau atteignent l'unité) ;
• Capacité de flux de puissance bidirectionnel du convertisseur AC/DC/AC répondant aux besoins de production.

​6 Conclusion​
Cette étude développe un système éolien à double alimentation AC/DC/AC à source de tension basé sur deux DSP. Combiné avec un contrôle vectoriel orienté vers la tension côté réseau et un contrôle vectoriel orienté vers le flux du stator côté rotor, les expériences démontrent :

1. Le système réalise un flux de puissance bidirectionnel et une régulation indépendante du facteur de puissance d'entrée/sortie ;
2. Les harmoniques faibles et le facteur de puissance élevé garantissent la qualité de l'électricité ;
3. La connexion/déconnexion douce au réseau réduit les contraintes mécaniques et électriques ;
4. L'applicabilité aux installations éoliennes de grande échelle de classe mégawatt.