Commande LPV d'une éolienne à vitesse variable pour l'optimisation énergetique et la réduction de la fatigue mécanique

par Fabien Lescher

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Pierre Borne.

Soutenue en 2006

à l'Ecole Centrale de Lille .


  • Résumé

    Pour continuer à se développer au rythme actuel, l'énergie éolienne se doit d'être moins chère. L'amélioration de ses algorithmes de commande est considérée comme un moyen prometteur permettant de réduire le coût de l'énergie produite par une éolienne à vitesse variable et à régulation pitch. En effet, ses lois de commande visent à la fois à optimiser la conversion de l'énergie et à réduire les charges dynamiques responsables de la fatigue mécanique subie par la structure de l'éolienne. Le fonctionnement d'une éolienne à vitesse variable se décompose en trois zones de fonctionnement, suivant la vitesse du vent traversant son rotor, et pour lesquelles les objectifs de commande sont différents. Ainsi, trois contrôleurs LPV commutant sont conçus de manière à garantir au système la stabilité, un certain niveau de performance H2 et Hinf et de robustesse vis à vis des incertitudes de modélisation sur la totalité de la zone de fonctionnement. Les paramètres des contrôleurs sont calculés par une procédure d'optimisation convexe du problème de commande formulé par des LMIs, et à partir d'une description LPV du comportement du système représentant ses non-linéarités et les flexibilités des principaux composants de sa structure mécanique (pales, arbre et mat). Un compensateur anti-windup LPV est aussi synthétisé de manière à assurer un niveau de performance lors de la saturation en vitesse de l'actionneur pitch causée par une rafale de vent. Les résultats des simulations effectuées sur un modèle d'éolienne de 400kW, montrent que le système de commande conçu permet d'améliorer sensiblement les performances du système, particulièrement en terme de réduction de la fatigue mécanique.

  • Titre traduit

    LPV control of a variable speed wind turbine for energy optimization and fatigue loads alleviationS


  • Résumé

    In order to permit wind energy to keep its current development, efforts must be done to decrease its cost. Control algorithms enhancement is considered as a promising way to reduce the cost of the energy generated by a variable speed, pitch regulated wind turbine. Indeed, control laws aim at optimizing energy conversion and at reducing dynamic loads inducing the mechanical fatigue affecting the plant structure. Variable speed turbine operation is divided into three operating areas, depending on the wind speed crossing the plant rotor, and for which control objectives are different. Hence, three switching LPV controllers are designed in order to ensure stability, some H2 and Hinf performance levels and robustness levels to parametric uncertainties, for the entire operating area of the system. Controllers parameters are calculated by a convex optimization process of the control problem formulated by LMIs, and from a LPV decription of the system behavior representing system non-linearities and flexibilities of the main components of the mechanical structure (blades, shaft, tower). A LPV anti-windup compensator is also designed in order to ensure some performance level during the rate saturation of the pitch actuator caused by a wind gust. Results of the simulations realized with a 400kW wind turbine model show that the designed control system permits to sensibly improve system performances, especially in term of the mechanical fatigue affecting the plant structure.

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Informations

  • Détails : 1 vol. ( 132 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 123-129. 86 réf.

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  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille (Villeneuve d'Ascq, Nord). Service commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2006-415
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