Soutenances de Thése de Doctorat
Spécialité: Génie électrique

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6 Decembre 2004

ECOLE CENTRALE DE LILLE
France


Salma EL AIMANI

MODELISATION DE DIFFERENTES TECHNOLOGIES D'EOLIENNES
INTEGREES DANS UN RESEAU DE MOYENNE TENSION



Président :
Jean Paul HAUTIER, Professeur, Ecole Nationale des Arts et Métiers, L2EP

Rapporteurs :
Eric MONMASSON, Professeur, IUP GEII de Cergy, SATIE
Xavier ROBOAM, Dr, Chargé de recherche CNRS (HDR), LEEI Toulouse

Examinateurs :
Mustapha EL ADNANI, Professeur, ENSA (Marrakech, Maroc)
Patrick BARTHOLOMEUS, Maitre de conférences, Ecole Centrale de Lille, L2EP
Emmanuel DEJAEGER, Dr, Laborelec

Directeurs de thèse :
Bruno FRANCOIS, Maitre de Conférences, Ecole Centrale de Lille, L2EP
Benoit ROBYNS, Professeur, HEI, L2EP

Abstract:
The liberalization of the electricity market and the development of the decentralized production induce many new scientific and technical problems in Electrical Engineering. It is obvious that these problems come from the impact of the new types of energy sources on the power systems, not really able to integrate them, and by the global management of the distribution system. Thus, the main goal of the research carried out in this report is the modelling of various technologies of wind turbines integrated into Medium voltage electrical networks. The considered technologies are based on squirrel Induction Genrators (IG) and on Doubly Fed Induction Generator (DFIG). The models of these generators were performed by using graphic modelling tools : the Causal Ordered Graph (COG) and the Macroscopic Energetic Representation (MER). Various levels of the modelling were considered to study this generation technology which includes the power electronic converters, according to whether we integrate or not the switching behavior of the semiconductors. The wind turbine models were integrated in various distribution network architectures with taking into account fluctuations of the energy source (wind) over several minutes. In this work, we have considered models with ideal switches allowing to consider the converters harmonics and we have considered equivalent continuous models not taking into account the switching frequency of the converters but make possible to have a more reduced computing time for the studies of power fluctuations and of the voltage stability. These simulation models associated to their suitable control devices were then compared with results of measurement carried out on a real wind turbine of 1,5 MW which made it possible to validate them. Finally, by comparing two vector control strategies of the stator flux of the DFIG associated to a 1.5 MW wind turbine, we have evaluated the power quality of the machine operating under distribution network faults. ntral energy management system of the studied residential network.

Keywords:
Wind turbine – Induction generator – Doubly Fed Induction generator – Causal Ordered Graph - Macroscopic Energetic Representation – Distribution network - Voltage stability – Voltage dips.

Résumé:
La libéralisation du marché de l'électricité et le développement de la production décentralisée amènent, dans le domaine du Génie Electrique, de nombreux problèmes scientifiques et techniques nouveaux. Ces problèmes sont principalement induits par l'impact des nouveaux types de sources d'énergie dans les réseaux, non conçus a priori pour les accueillir, et par la gestion globale du système de distribution. L'objectif principal des recherches réalisées dans ce mémoire est de modéliser différentes technologies d'éolienne introduites dans les réseaux électriques de moyenne tension. Les technologies considérés sont basées sur des machines asynchrones à cage (MAS) et sur des machines asynchrones à double alimentation (MADA). Les modèles de ces générateurs ont été établis en utilisant des outils graphiques de modélisation : le Graphe Informationnel Causal (GIC) et la Représentation Énergétique Macroscopique (REM). Différents niveaux de modélisation ont été considérés pour étudier ce type de génération incluant des convertisseurs de l'électronique de puissance, suivant que l'on intègre ou non le comportement interrupteur des semi-conducteurs. Les modèles d'éoliennes ont été intégrés dans des architectures de réseau de distribution tout en considérant des fluctuations de la source d'énergie (le vent) sur plusieurs minutes. Dans ce travail, nous avons considéré des modèles à interrupteurs idéaux permettant d'estimer les harmoniques générés par les semi-conducteurs et des modèles continus équivalents ne prenant pas en compte la fréquence de commutation des interrupteurs mais qui permettent d'avoir un temps de calcul plus réduit pour les études de fluctuation de puissance et du plan de tension. Ces modèles de simulation associés à leurs dispositifs de commande appropriés ont été ensuite confrontés à des résultats de mesures effectués sur une éolienne réelle de 1,5 MW qui ont permis de les valider. Enfin, en comparant deux stratégies de commande vectorielle du flux statorique de la MADA d’une éolienne de 1,5 MW, nous avons évalué la qualité de la puissance électrique produite par cette machine en présence de défauts sur le réseau de distribution.

Mots-clés:
Éolienne – Machine asynchrone à cage – Machine asynchrone à double alimentation – Graphe Informationnel Causal – Représentation Energétique Macroscopique - Réseau de distribution – Défauts de court circuit – Creux de tension.

Contents :

Introduction générale
Chapter I Outils de modélisation et objectifs
Chapter II Conversion de l'énergie éolienne : Principe et modélisation des turbines
Chapter III Eolienne à vitesse variable avec génératrice asynchrone piloté par le stator
Chapter IV Eolienne à vitesse variable avec génératrice asynchrone à double alimentation
Chapter V Validation expérimentale sur une éolienne de 1,5 MW
Chapter VI Evaluation de l'influence de l'éolienne sur un réseau de distribution de moyenne tension
Chapter VII Influence d'un réseau de distribution sur l'éolienne
Conclusion générale et perspectives

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Publications:

International journal
[R.1] “ Modelling of generated harmonics from a wind energy conversion system based on a doubly fed induction generator ”, S. EL AIMANI, B. FRANCOIS, B. ROBYNS, F. MINNE Electromotion, Vol.10, n°4, October-November 2003, pp. 629-634.

International conferences
[C1] "Modelling of variable speed wind generators jointly connected to continuous bus" S. EL AIMANI, B. FRANCOIS, B. ROBYNS Forum International sur les Energies Renouvelables : FIER 2002, 8-10 May 2002, Tétouan (Maroc), CD
[C2] “Comparison Analysis of Control Structures For Variable Speed Wind Turbine”, S. EL AIMANI, F. MINNE, B. FRANÇOIS, B. ROBYNS Computational Engineering in Systems : CESA’2003, July 9 – 11, 2003, Lille, France, CD
[C3] “Modeling and Simulation of Doubly Fed Induction Generators for Variable Speed Wind Turbines integrated in a Distribution Network”, S. EL AIMANI, F. MINNE, B. FRANÇOIS, B. ROBYNS 10h European Conference on Power Electronics and Applications : EPE’2003, September 2 - 4, 2003, Toulouse (France), CD, ISBN 90-75815-07-7.
[C4] “Modelling of generated harmonics from a wind energy conversion system based on a doubly fed induction generator”, S. EL AIMANI, B. FRANÇOIS, B. ROBYNS, F. MINNE 5h International Symposium on Advanced ELECTROMECHANICAL MOTION SYSTEMS : ELECTROMOTION 2003, November 26 - 28, 2003, Marrakesh (Marocco), texte repris en revue
[C5] “Dynamic Behaviour Of A Grid-Connected Wind Turbine With Doubly Fed Induction Generator During Disturbances”, S. EL AIMANI, B. FRANÇOIS, B. ROBYNS, F. MINNE 18th International Conference on Electricity Distribution : CIRED 2005, 6-9 June 2005, Turin (Italy),



Photo souvenir: Salma et Bruno