Contribution à la modélisation et la surveillance des systèmes électromécaniques complexes : Application aux éoliennes

Contribution to the modeling and monitoring of complex electromechanical systems : Application to wind turbines

• Auteur / Autrice : Mariem Makni
• Direction : Jean-Pierre Barbot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique et électronique - Cergy
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : QUARTZ (ECS, L@RIS, LISMMA)
• Jury : Président / Présidente : Abdelkhalak El Hami
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Barbot, Abdelkhalak El Hami, Krishna Busawon, Betty Lemaire-Semail, Ihab Haidar, Molka Hili Attia, Mohamed Slim Abbes, Nabih Feki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Krishna Busawon, Betty Lemaire-Semail

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie éolienne

Mots clés libres

Éolienne double

Détection de défauts

Contrôle à mode glissant

Twin wind turbine

Fault detection

Sliding mode control

Résumé

Suite à la forte demande d'énergie verte ayant un impact moindre sur l'environnement, de nouveaux concepts d'éoliennes offshore ont été développés récemment. Ils sont destinés à fonctionner dans des environnements aléatoires et du perturbations météorologiques telles que les vents turbulents et les vagues irrégulières. Comme leséoliennes sont composées de sous-systèmes de différents domaines physiques tels que les systèmes électriques, mécaniques et aérodynamiques, des défauts imprévus susceptibles d'entrainer des temps d'arrêt du système et d'énormes pertes économiques sont probables. Par rapport aux éoliennes onshore, les éoliennes offshore flottantes ont suscité un intérêt croissant en raison de leur production d'énergie optimale. Cependant, l'accessibilité limitée de ces systèmes stimule le développement des méthodes de diagnostic précoces et de contrôle actif tolérant aux défauts qui deviennent des problèmes cruciaux limitant les bonnes performances ainsi que la fiabilité. Dans ce contexte, ce travail porte sur le développement des méthodes de diagnostic des défautset le développement d'une commande active tolérante aux défauts pour un nouveau concept d'éolienne double offshore. Pour cela, une modélisation détaillée de ce concept ainsi que de ses parties électriques ”machines synchrones `a aimants permanents” et de ses parties mécaniques ”trains planétaires” est établie sans et en présence des défauts. L'un des objectifs c'est d'étudier le comportement du système de transmission mécaniqueen présence de défauts et d'étudier le comportement de l'éolienne double en introduisant de nouveaux scénarios.Le défaut de fissure est pris en compte dans cette étude et présente un impact sur l'engrenage planétaire. De plus, deux défauts électriques, un court-circuit entre spires et une démagnétisation, qui se produisent dans la machine électrique sont également considérés. Le court-circuit entre spires est l'un des défauts les plus fréquents qui affecte les machines électriques et casse la symétrie de ses phases. Ainsi, le comportement de l'éolienne double dans des conditions asymétriques est abordé. Bien que, l'undes avantages de ce concept d'éolienne double est le fait que son orientation face au vent est assurée sans avoir besoin d'un actionneur. Cette caractéristique nécessite uncontrôle adéquat et suffisant. Une méthode de contrôle basée sur un mode glissant d'ordre supérieur a été proposée en considérant des conditions de fonctionnementnormales. De plus, une étude sur les méthodes de diagnostic et les défauts possibles a été présentée. Une approche angulaire est proposée pour détecter le défautde fissure `a partir des signaux mesurés par les capteurs. L'approche proposée est reconnue comme un outil approprié pour le traitement des signaux dans des conditionsnon stationnaires. En outre, nous étudions le problème de l'invisibilité à gauche lorsque le nombre de défauts est égal au nombre de mesures. Pour traiter le cas où le nombre de défauts dépasse le nombre de mesures, une méthode de diagnostic des d´défauts basée sur le diagnostic par reconstruction parcimonieuse est proposée. Nous utilisons également un observateur à mode glissant du second ordre pour estimer les dérivées temporelles de la sortie afin d'éviter les erreurs potentielles graves dues au calculdes dérivées. Les estimations sont ensuite utilisées dans la commande active tolérante aux défauts basée sur le diagnostic par reconstruction parcimonieuse. L'objectif principal de cette commande est de compenser l'effet du défaut sur la vitesse de sortie de la machine et de maintenir l'orientation du système après la localisation du défaut.

With the huge demand for green power with less environmental impact, the size of wind turbines needs to meet its growing demands, therefore, new offshore concepts of wind turbines have been developed recently. They are intended to operate in unpredictable environments such as turbulent winds and irregular waves. And since wind turbines consist of subsystems of different physical areas such as electrical, mechanical and aerodynamic systems, unanticipated faults can lead to system downtime and huge economic losses. Compared to onshore wind turbines, floating offshore wind turbines have gained increasing interest due to their optimal energy production.However, the limited accessibility of these systems stimulates the development of early diagnosis methods and fault tolerant active controls that become crucial issuesconstraining good performance and improved reliability.In accordance with the above challenge, this work focuses on fault diagnosis methods and an Active Fault Tolerant Control AFTC for a new offshore twin wind turbineconcept. For this purpose, a model of the twin wind turbine is developed. Firstly, a model of planetary gear is presented without and with a crack fault. The objectiveof this model is to study the behavior of the mechanical transmission system under faults and to study the behavior of the twin wind turbine including new scenarios.Moreover, a model of a Permanent Magnet Synchrounous Machine PMSM is developed in dq-frame and abc-frame.An inter-turn short circuits and a demagnetization faults are also taken into consideration. The inter-turn short circuit is one of the most common faults that affects electrical machines and breaks the symmetry of its phases.Thus, the behavior of the twin wind turbine under asymmetrical conditions is addressed. Although, one of the advantages of this concept of twin wind turbine is thefact that its orientation in front of the wind is ensured without the need for an actuator. This feature requires a necessary and sufficient control. A suggested controlbased on a High-Order Sliding Mode HOSM has been established while considering normal operating conditions.A survey on fault diagnosis methods and possible faults of wind turbines is reviewed for the choice of methods.An angular approach is proposed to detect the crack fault from signals measured by sensors. The proposed approach is recognized as an appropriate tool for signal processing under non-stationary conditions. In addition, we investigate the problem of left invertibility when the number of faults equal to the number of measurements. To address the case where the number of faults exceeds the number of measurements, a fault diagnostic method based on sparse recovery diagnosis is proposed. We employ also a secondorder sliding-mode observer to estimate the time derivatives of the output to avoid severe potential errors due to the derivative computation. Estimations are then used in the active fault-tolerant control based on sparse recovery diagnosis. The main objective of the active fault-tolerant control is to compensate for the effect of the fault on the machine output speed and to maintain the orientation of the system after the knowledge of the fault location.