Contribution à la Commande Robuste des Eoliennes à Base de Génératrices Asynchrones Double Alimentation : Du Mode Glissant Classique au Mode Glissant d'Ordre Supérieur

Abstract--Wind energy conversion is the fastest-growing energy source among the new power generation sources in the world and this tendency should remain for some time. Already now, wind energy is rapidly developing into a mainstream power source in many countries of the world, with over 60000 MW of installed capacity world wide. Under an advanced wind energy growth projection, coupled with ambitious energy saving, wind power could be supplying 29.1% of the world electricity by 2030 and 34.2% by 2050. Harnessing wind energy for electric power generation is an area of research interest and nowadays the emphasis is given to the cost-effective utilization of this energy aiming at quality and reliability in the electricity delivery. Currently, variablespeed wind turbines are continuously increasing their market share, since it is possible to track the changes in wind speed by adapting shaft speed and thus maintaining optimal power generation. The more these wind turbines are investigated, the more it becomes obvious that their behavior is significantly affected by the control strategy used. Typically, variable-speed wind turbines use aerodynamic controls in combination with power electronics to regulate torque, speed, and power. The aerodynamic control systems, usually variable-pitch blades or trailing-edge devices, are expensive and complex, especially when the turbines are larger. This situation provides an incentive to consider alternative control approaches. The prime objective of this PhD Thesis is to investigate nonlinear and robust control techniques leading not only to power efficiency maximization but also to improved dynamic characteristics, resulting in the reduction of the drive train mechanical stresses and output power fluctuations. For that purposes, sliding modes have been deeply investigated. These techniques have been first tested using the NREL FAST simulator and then experimentally validated on the Grenoble G2Elab 7.5-kW real-time simulator. The obtained results were consistent and very promising.Le développement durable et les énergies renouvelables suscitent aujourd'hui l'intérêt de plusieurs équipes de recherches. Le développement des éoliennes représente un grand investissement dans le domaine de la recherche technologique. Ces machines qui produisent de l'énergie électrique à partir du vent peuvent constituer une alternative technologique et économique aux différentes sources d'énergies épuisables. D'ailleurs, la croissance de l'industrie éolienne mondiale est de l'ordre de 30% par an depuis le début des années 2000. De nombreux travaux de recherche sur le contrôle et la commande d'éoliennes ont été menés. Grâce à ces travaux, les dernières générations d'éoliennes fonctionnent avec une vitesse variable et disposent d'une régulation pitch. Il est ainsi possible de modifier la vitesse de rotation et l'angle de calage de chacune des pales, permettant alors d'améliorer la production de l'aérogénérateur. Néanmoins, il reste encore à introduire plus d'intelligence dans le fonctionnement des aérogénérateurs. L'objectif principal de nos travaux de thèse est d'étudier les techniques de commande robuste, de la génératrice, susceptibles d'optimiser la production d'une éolienne, en particulier celle utilisant une génératrice asynchrone double alimentation. Par optimisation, nous entendons non seulement améliorer la qualité de l'énergie produite et le rendement énergétique mais aussi diminuer les charges mécaniques de fatigue ; ce qui aurait pour conséquence de rendre possible la fabrication d'aéroturbines plus légères améliorant de ce fait la productivité. La ou les techniques de commande doivent donc tenir compte du comportement de l'éolienne dans son ensemble. Pour ce faire, nous avons exploré l'apport des modes glissants classiques puis d'ordre supérieur pour répondre au cahier des charges fixé. Les techniques de commandes proposées ont été testées sur le simulateur FAST élaboré par le laboratoire Américain NREL (National Renewable Energy Laboratory). Des essais expérimentaux effectués au laboratoire Grenoblois G2Elab sur un banc de 7.5 kW ont permis la validation des techniques proposées. Elles restent cependant perfectibles ouvrant ainsi la voie à d'intéressantes perspectives