Stratégies de contrôle pour un microréseau DC basé sur la génératrice à réluctance variable - CentraleSupélec Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2024

On control strategies of switched reluctance generator-based DC microgrid

Stratégies de contrôle pour un microréseau DC basé sur la génératrice à réluctance variable

Résumé

DC microgrids (MGs) are a promising solution for the massive integration of distributed renewable generation, promoting the energy transition to a more digital, sustainable, and decentralized future. As an essential subsystem of, DC MG, the distributed small-scale wind energy conversion systems (WECSs) generally use Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSMs) with rare-earth materials, which are expensive and potentially environmentally damaging. The Switched Reluctance Generator (SRG) is a rare-earth free and lowcost electrical generator solution, which may potentially replace PMSM in WECS. However, developing the control strategy for SRG in DC MG application is challenging due to the operating principles and nonlinearity of SRG. The research objective of this thesis is to develop a multi-stage and multi-time scale control strategy for SRG-based DC MG. To design the output voltage controller of SRG, the physical modelling of SRG is first studied, showing the differences between SRG and classical machines. Starting from the basic electromechanical energy conversion principle, the averaged torque expression of SRG is obtained, dependent on the square of the phase current amplitude. Besides, due to the saturation of ferromagnetic material, SRG’s electromagnetic characteristics, e.g., the inductance profile, exhibit intrinsic spatial and magnetic nonlinearities. Usual output voltage control solutions ignore these nonlinearities, resulting in degraded performance. An enhanced output voltage controller is proposed to improve the output voltage control of SRG by integrating a linearization block into the control loop. The proposed controller improves the system’s dynamic performance, i.e., voltage tracking and robustness to disturbances. Then, this research turns to the modelling and control of the DC-DC boost converters since they are fundamental blocks in DC MGs for power flow control and voltage matching. Although there are several control methods for the boost converter, how to select and design appropriate controllers is still challenging. Model Predictive Control (MPC) is selected as a promising candidate for power electronic converters for its intuitive concept and intrinsic discrete time nature. To evaluate the performance of the MPC strategies, the classical linear strategies are also discussed in detail. A comprehensive experimental comparative study is carried out based on a self-established test bench at the Paris Electrical Engineering Laboratory (GeePs). This study provides a design guideline for DC MG designers in selecting suitable control strategies. To test the performance of SRG under different wind conditions in the laboratory, the modelling and control of a real-time Wind Turbine Emulator (WTE) is studied. Energetic Macroscopic Representation (EMR), a graphical formalism based on physical causality and interaction, is adopted for system organization and control scheme deduction. Thanks to EMR, the entire design process, from system modelling to experimental validation, is organized in a clear and systematic way. A conceptual hierarchical DC MG control strategy with three possible operating modes of SRG, namely, maximum power point tracking, direct power control, and output voltage control, is deduced by considering the DC MG’s physical constraints. Based on the established WTE, the effectiveness of these operating modes is validated experimentally.
Les microréseaux (MG) à courant continu (DC) sont une solution prometteuse pour l’intégration massive des énergies renouvelables dans la production durable et décentralisée d’énergie électrique pour s’inscrire dans la transition énergétique. En tant que sous-système du micro-réseau, la machine à réluctance variable (MRV) est une solution sans terres rares pour des systèmes de conversion de l’énergie éolienne (SCEE) à petite échelle. Cependant, la commande de la Génératrice à Réluctance Variable (GRV) dans les applications MG est un défi en raison de la forte non-linéarité de son modèle. L’objectif de cette thèse est donc de développer des stratégies de contrôle de la GRV et des convertisseurs statiques pour répondre aux différentes exigences d’un microréseau à courant continu. Le modèle analytique de la GRV est fortement non linéaire du fait du principe de génération du couple et de la saturation du matériau ferromagnétique. De ce fait, la relation entre les courants dans les enroulements de la machine et le courant du bus continu est complexe. Cette relation a été identifiée par des essais expérimentaux et approchée par une relation analytique. L’insertion de cette relation sous forme de tabulation a permis de linéariser le modèle de la boucle de tension du bus continu. Les essais expérimentaux ont permis de valider l’approche grâce aux meilleures performances dynamiques en comparaison de l’approche classique qui ignore cette relation. Dans les microréseaux à courant continu, les convertisseurs statiques dc-dc sont incontournables aux interfaces entre les sources et le bus continu. Dans nos travaux, nous nous sommes intéressés à la modélisation et la commande du convertisseur boost. Des techniques de commande linéaire (correcteur proportionnel-intégral) et non linéaire (contrôle prédictif) ont été évaluées et comparées du point de vue des performances et de leur complexité de mise en oeuvre pour le contrôle de la tension du bus continu. La commande prédictive a été développée en raison de son concept intuitif, de sa nature discrète adaptée aux convertisseurs statiques et sa forte pénétration dans le monde industriel, pour contrôler le courant et la tension. De plus, elle est flexible puisqu’elle permet de contrôler le convertisseur en modes continu et discontinu de fonctionnement. Son principe consiste à l’optimisation d’une fonction objectif définie comme un compromis entre la minimisation de l’erreur de poursuite et la réduction des contraintes sur les signaux de commande. Un horizon de prédiction minimal a été adopté pour garantir les performances temps réel du système. L’étude comparative expérimentale réalisée sur un banc d’essai du laboratoire GeePs a permis de dégager des lignes directrices pour le choix de la technique de commande la plus appropriée. Pour évaluer les performances de la GRV dans des conditions proches d’une exploitation réelle, il faudrait disposer d’une éolienne. Dans les conditions de laboratoire, il faut passer par un émulateur temps réel. La complexité du système complet (émulateur + GRV + bus continu) nous a conduit à adopter la représentation énergétique macroscopique (REM) pour la modélisation et la déduction du schéma de contrôle. Une stratégie de contrôle hiérarchique avec trois modes de fonctionnement (Poursuite du Point de Puissance Maximale (MPPT), contrôle direct de la puissance (DPC), contrôle de la tension (VC)) a été développée. La transition entre ces modes dépend des conditions du vent, de l’état de charge des batteries et de la configuration du micro-réseau (isolé ou connecté). L’efficacité des trois modes de fonctionnement a été validée expérimentalement.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-04562508 , version 1 (29-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04562508 , version 1

Citer

Qihao Guo. Stratégies de contrôle pour un microréseau DC basé sur la génératrice à réluctance variable. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université Paris-Saclay (2020-..), 2024. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04562508⟩
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