PhD report
Topic : Electrical engineering

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29 Septembre 2011

ECOLE CENTRALE DE LILLE
France

ECOLE MLITAIRE POLYTECHNIQUE d'ALGER
Algérie


Tarak GHENNAM

Supervision d’une ferme éolienne pour son intégration dans la gestion d’un réseau électrique,
Apports des convertisseurs multi niveaux au réglage des éoliennes à base de machine asynchrone à double alimentation



Président :
F. BOUDJEMA, Professeur, Ecole Nationale Polytechnique d'Alger

Rapporteurs :
M.E.H. BENBOUZID, Professeur, Université de Bretagne Occidentale, Laboratoire Brestois de Mécanique et des Systèmes
S. HADDAD, Professeur, Université de Tizi Ouzou

Examinateurs :

S. SAADATE, Professeur, Université Henri Poincaré Nancy 1, Groupe de Recherche en Électrotechnique et Électronique, GREEN

Directeurs de thèse :
Bruno FRANCOIS, Professeur, Ecole Centrale de Lille, L2EP

E.M. BERKOUK, Professeur, Professeur, Ecole Nationale Polytechnique d'Alger

Invité :
K. ALIOUANE, Maitre de Conférences, Ecole Nationale Polytechnique d'Alger





Proclamation des résultats



Abstract:
This research work deals with two topics conditioning the large scale development of wind turbines into electrical grids. The first is devoted to the development of new algorithms for the control of Doubly Fed Induction Machine (DFIM) based wind energy conversion systems. Two direct current control strategies have been proposed and are based on the hysteresis square areas (HZCA) and hysteresis circular areas (HZCI). Both strategies apply an appropriate voltage vector to control the active and reactive powers delivered to the grid, and also, to balance the voltages of the inner DC bus multilevel converter. Simulation and experimental results show that the HZCI strategy is better than HZCA in terms of output voltage waveforms and harmonic contain. The second topic is dedicated to the active and reactive powers supervision in a wind farm in order to supply prescribed power references from the grid operator. This supervision is ensured by a centralized algorithm that distributes power references between wind turbines in a proportional way. These references are calculated according to the maximum production capacity of wind turbines. An analysis of the power flow in the DFIM based wind energy system has been made to identify the (P, Q) characteristic and to calculate limits in terms of reactive power compensation. The local power management of each wind system has been developed allowing the powers distribution between the stator of the DFIM and the grid side converter by considering several operating modes of the wind generator.

Keywords:
Wind Farm, Powers Supervision, Wind Power, Multilevel Converters, Doubly Fed Induction Machine, Control Strategies

Résumé:
Ma thèse de doctorat traite deux thématiques conditionnant le développement des éoliennes au sein des réseaux électriques. La première consiste à développer de nouveaux algorithmes de commande du système éolien de production d’électricité, reposant sur l’utilisation d’une machine asynchrone à double alimentation et des convertisseurs multiniveaux. Dans ce contexte, deux stratégies de contrôle direct du courant, basées sur l’Hystérésis à Zones Carrées (HZCa) et l’Hystérésis à Zones Circulaires (HZCi) ont été proposées. Celle-ci reposent sur l’application des vecteurs de tension appropriés pour contrôler les puissances active et réactive délivrées au réseau électrique, et permettent également d’équilibrer les tensions du bus continu interne des convertisseurs. Des résultats de simulation et d’expérimentation montrent que la stratégie basée sur l’Hystérésis à Zones Circulaires est meilleure en terme de forme d’onde des tensions de sortie du convertisseur et leur contenu harmonique. La seconde concerne la supervision et la gestion des puissances active et réactive dans une ferme éolienne au vu de son intégration dans un réseau électrique. Cette supervision centralisée est assurée par un algorithme qui distribue les consignes de puissance aux éoliennes de la ferme de manière proportionnelle. Ces références sont fonction de la capacité maximale de production des éoliennes. Pour cela, une analyse des transits de puissance dans le système éolien à base de la machine asynchrone à double alimentation a été effectuée. Elle a permis de déterminer la caractéristique (P, Q) du système éolien et de calculer ses limites de compensation en terme de puissance réactive. Une gestion locale des puissances de chaque éolienne de la ferme a été développée permettant ainsi une répartition des puissances entre le stator de la machine et le convertisseur coté réseau en considérant plusieurs modes de fonctionnement du système éolien.

Mots-clés:
Ferme Eolienne, Supervision des puissances, Energie Eolienne, Convertisseurs Multiniveaux, Machine Asynchrone à Double Alimentation, Stratégies de Contrôle.



En plein travail



Contents :

Introduction
Chapter I Etat de l’art sur la conversion éolienne
Chapter II Modélisation et dispositif de commande d’un système éolien à base de machine asynchrone à double alimentation
Chapter III Application des convertisseurs multiniveaux pour la commande d’un système éolien
Chapter IV Supervision d’une ferme éolienne, approche technique pour la répartition de la production électrique
Conclusion générale

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Publications

International Journal
[J1] T. Ghennam, EM. Berkouk, B. Francois, "A Novel Space Vector Current Control Based on Circular Hysteresis Areas of a Three-Phase Neutral-Point-Clamped Inverter" , IEEE Transaction on Industrial Electronics. Vol 57, no 8, pp 2669-2678, 2010.

[J2] T. Ghennam, EM. Berkouk, " Back-to-back three-level converter controlled by a novel space-vector hysteresis current control for wind conversion systems" , Electric Power System Research Journal, Elsevier, Vol 10, no 5, 2010.

[J3] T. Ghennam, M. K. Darwish, "A Hybrid Parallel Active Filter / Off-Line UPS Unit for Computer Loads" , Electrical Power Quality and Utilisation, Journal, Vol. XIV, no. 2, 2008.

[J4] T. Ghennam, E.M. Berkouk, B. Francois, "A Vector Hysteresis Current Control Applied on Three-Level Inverter. Application to the Active and Reactive Power Control of Doubly Fed Induction Generator Based Wind Turbine" , International Review of Electrical Engineering (IREE), ISSN 1827-6660, Vol. 2 no 2 March- April, 2007.


International conferences

[C1] T. Mosbahi, T. Ghennam, E.M. Berkouk, “Control of a Wind Energy Conversion System With Active Filtering Function”, IEEE-International conference on power engineering, energy and electrical drives (IEEE-POWERENG 2011), Torremolinos (Malaga), Spain, 11-13 May 2011.

[C2] T. Ghennam, B. Francois, E.M. Berkouk,"“Local supervisory algorithm for reactive power dispatching of a wind farm”, 13th European conference on power electronics and applications (EPE 2009), Barcelona, Spain, 5-8 September 2009.", IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference, October 11-13, 2010, Gothenburg, Sweden, 10-2010

[C3] T. Ghennam, E.M. Berkouk, B. Francois, “Modeling and Control of a Doubly Fed Induction Generator Based Wind Conversion System”, International conference on power engineering, energy and electrical drives (POWERENG 2009), Lisbon, Portugal, 18-20 Mach 2009.

[C4] T. Ghennam, F. Akel, EM. Berkouk," Theoretical Study and Experimental Validation of the Direct Space Vector PWM Control of a DC/AC Converter ", 3rd international conference on electrical engineering (ICEE09), Université des sciences et de la technologie HOUARI Boumediene (USTHB), Mai 19-21, 2009. Alger, Algérie.

[C5] T. Ghennam, E.M. Berkouk, B. Francois, “DC-link Voltage Balancing Algorithm Using a Space-Vector Hysteresis Current Control for Three-level VSI Applied for Wind Conversion System”, 12th European conference on power electronics and applications (EPE 2007), Aalborg, Denmark, 02-05 September 2007.

[C6] T. Ghennam, F. Akel, EM. Berkouk," Theoretical Study and Experimental Validation of the Direct Space Vector PWM Control of a DC/AC Converter ", 3rd international conference on electrical engineering (ICEE09), Université des sciences et de la technologie HOUARI Boumediene (USTHB), Mai 19-21, 2009. Alger, Algérie.

[C7] A. Beugniez, T. Ghennam, B. François, E. M. Berkouk, B. Robyns, “Centralized supervision of reactive power generation for a wind farm”, 12th European conference on power electronics and applications (EPE 2007), Aalborg, Denmark 02-05, September 2007.

[C8] T. Ghennam, E.M. Berkouk, B. Francois, “Three level inverter controlled by means of hysteresis current control. Application to back to back structure”, IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE 2007), Vigo, Spain, 04-07 June 2007.

[C9] T. Ghennam, E.M. Berkouk, B. Francois, K. Aliouane, “A New Space-Vector Based Hysteresis Current Control Applied on Three-Level Inverter to Control Active and Reactive Powers of Wind Generator”, International conference on power engineering, energy and electrical drives (POWERENG 2007), Setubal, Portugal, 12-14 April 2007.

[C10] T. Ghennam, K. Aliouane, “DSP based implementation of space vector modulation on an active shunt compensator”, International conference on power and energy system (IASTED), Belmadena, Espagne, 15-17 Juin 2005.

[C10] T. Ghennam, L. Belhadji, K. Aliouane, “A DSP based implementation of a SVM control on an active shunt compensator under non-sinusoidal and unbalanced conditions ”, International conference

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Photo souvenir: Dimo, Bruno et Tarak