Conception et comparaison des performances de stratégies de commande PI et DAC appliquées au calage variable d'une éolienne de 10 kw

Dubé, François (2014). Conception et comparaison des performances de stratégies de commande PI et DAC appliquées au calage variable d'une éolienne de 10 kw. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le Wind Energy Strategic Network (WESNet) a notamment pour but de développer des technologies pour optimiser les éoliennes pour le climat canadien. L’éolienne de 10kW a été conçue à l’Université du Nouveau-Brunswick et l’École de technologie supérieure pour répondre à ce mandat. Elle est équipée d’un système de calage variable électromécanique et d’un système d’optimisation de la puissance faisant varier le couple du générateur. Contrairement à ce qui est couramment rencontré en industrie, ce dernier reste actif pour des vents de vitesse supérieure à la vitesse nominale.

L’objectif de ce mémoire est de concevoir deux stratégies de commande pour le système de calage variable de l’éolienne du WESNet et de comparer leurs performances en conditions réelles de fonctionnement afin de déterminer laquelle permet la meilleure production. La courbe de puissance, la disponibilité et la production d’énergie annuelle (PEA) extrapolée réelle sont utilisées pour comparer les stratégies. Ce dernier indicateur est calculé en multipliant la PAE extrapolée d’une stratégie par sa disponibilité et donne un aperçu réaliste de sa production potentielle.

Les stratégies de commande sont développées à partir d’un modèle linéaire et d’un modèle non linéaire tous deux réalisés dans SIMULINK avec le code de calcul d’éolienne FAST. Elles sont ensuite implantées dans le module de commande de l’éolienne et des données de fonctionnement sont recueillies pendant environ 1 mois pour chacune.

La première stratégie de commande est de type proportionnelle intégrale (PI). Elle est choisie en raison de sa simplicité de conception et d’application, de l’abondante littérature disponible et de ses bonnes performances démontrées. Pour obtenir une bonne régulation de la vitesse angulaire, un ordonnancement de gains a dû être utilisé. Les données de fonctionnement de la stratégie PI servent à valider le comportement du modèle non linéaire.

La seconde est une stratégie d’accommodation à la perturbation (DAC). Elle est choisie en raison de sa plus grande flexibilité d’ajustement, de sa simplicité d’application aux éoliennes et des bons résultats expérimentaux mentionnés dans la littérature.

La stratégie DAC est plus apte à la production que la stratégie PI. Sa courbe de puissance pour des vents supérieurs à la vitesse nominale est plus constante et plus élevée : la valeur de production nominale de 10kW n’a été atteinte que sur la courbe de la stratégie DAC. De plus, elle présente une PEA extrapolée réelle plus élevée que la stratégie PI, en dépit d’une disponibilité plus faible. Cette production accrue est due à un effort plus soutenu de l’actionneur du calage variable. La stratégie PI accomplit une meilleure régulation que la stratégie DAC lorsque les vents sont très turbulents (IT au dessus de 18%), mais ne présente pas une production plus élevée pour autant.

Titre traduit

Design and comparison of the performances of a PI and a DAC control strategy applied to the variable pitch system of a 10 km wind turbine

Résumé traduit

One of the goals of the Wind Energy Strategic Network (WESNet) is to optimize wind turbine technologies for the Canadian climate. The 10kW wind turbine was developed at the New-Brunswick University and the École de techonologie supérieure to fulfill this mandate. It is equipped with an electromechanical variable pitch system and a generation system using torque control to maximize its power output. Unlike what’s usually seen in the industry, this last control method remains active for wind speeds above the nominal value.

This project aims to design two control strategies for the variable pitch system of the WESNet wind turbine and to compare their performances under operating conditions in order to identify the one that yields the higher power output. They are compared through the means of their power curve, their availabilities and their realistic extrapolated annual energy production. This last indicator is obtained by multipling one strategy’s extrapolated annual energy production by its availability. It gives an overview of a strategy’s potential production.

The control strategies are developed with a linear and a nonlinear model of the wind turbine built with SIMULINK and the FAST wind turbine design code. They are then implemented in the variable pitch drive and data of their operation is recorded during field test lasting for approximately a month in each case.

The first strategy developed is proportional-integral (PI). It is chosen because of its simplicity of design and application, the amount of available literature and of its proven performances. Field tests as shown that a gain scheduling technique was required in order to obtain good power regulation. The data recorded was used to validate the nonlinear model behavior.

The second strategy is disturbance accommodating control (DAC). It is chosen because of its flexibility, of its relative simplicity for a modern control strategy and of the promising experimental results found in the literature.

The wind turbine produces more when equipped with the DAC strategy then the PI strategy. The DAC power curve for winds above the nominal speed is higher and more constant : the 10kW production was only reached with the DAC. Furthermore, despite a lower availability, it exhibits a higher realistic extrapolated annual energy production than the PI. This improved production is caused by an increased pitch activity. The DAC strategy exhibits a better regulation for the majority of wind conditions, while PI is better when winds are turbulent (above 18% IT). However, the PI fails to produce more than the DAC for all wind conditions.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 245-249.
Mots-clés libres:	Hélices à pas variable. Éoliennes. Électricité Production Simulation par ordinateur. Modèles linéaires (Statistique) accommodation, calage, DAC, intégral, perturbation, PI, proportionnel, stratégie, système, variable, commande classique, commande moderne, PID, FAST, SIMULINK
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Belleau, Christian
Codirecteur:	Codirecteur Joncas, Simon
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	09 sept. 2014 20:11
Dernière modification:	13 mars 2017 23:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1345

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