Published December 18, 2003 | Version v1
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Minimisation of the wind perturbations impact on the generation of electricity by variable speed wind turbines

Description

Wind energy is seriously growing in response to environmental problems of traditional energy sources and aerogenerator technological improvements. The part of this kind of energy is each day more important in windy regions. Thus, the wind turbine power quality impact on the grid increases. Moreover, wind energy cost is still too high to compete with traditional sources on less windy sites. More intelligence can be introduced into wind turbines control to resolve these problems. This control must be done taking into account the whole wind turbine behaviour. Perturbations from wind have to be also considered. The thesis objective is to design control laws of a pitch regulated variable speed wind turbine, taking into account wind perturbations and four optimisation criterions. These criterions are: improvement of the power quality supply, of the energetic efficiency and of the control robustness and reduction of the aerogenerator drive-train fatigue loads. There are simulation models allowing the study of wind turbine control laws, but wind perturbations impact on the whole system is not generally considered with high precision. Here, a pitch regulated variable speed wind turbine simulation model is presented. Interaction between wind and wind turbine is accurately examined. This simulation model has been validated with real data of a 180 kW aerogenerator and with information from some papers. A pitch regulated variable speed wind turbine has different operating zones. Here, three zones are studied: one corresponding to medium wind speeds where turbine rotational speed is variable, the second related to higher speeds where aerogenerator rotates at nominal speed and the last related to wind speeds where the power captured by the turbine is limited with pitch control. Beside wind turbine general control strategy, different control designs are examined in each zone. Linear models allowing to study the system dynamical behaviour are obtained on different operating points from the non-linear simulation model. Some of these models are used as control models. Robust numerical regulators are synthesised in each operating zone. These regulators are then tested on the simulation model. Different controls are compared observing their behaviour in relation to the four control criterions linked to the thesis objective. A simulation model is practical to test control laws, but it is better to run also trials of these laws on a test bench before implementing them on a real wind turbine. Here, the aerogenerator studied in the thesis is emulated on a 15 kW test bench. After this, experimental trials are realised on this bench. The results in simulation and test bench trials show that advanced control laws allow improving the behaviour of a pitch regulated variable speed wind turbine. (author)

Abstract (French)

L'energie eolienne est en train de se developper en consequence des problemes environnementaux poses par les sources d'energie traditionnelles et du progres technologique des aerogenerateurs. La part de ce type d'energie dans le reseau est de plus en plus importante dans les regions ventees. Par suite, l'impact sur le reseau electrique, de la qualite de la puissance produite par les aerogenerateurs augmente. D'autre part, le cout de l'energie eolienne est encore trop eleve pour concurrencer les sources traditionnelles sur des sites moins ventes. Plus 'd'intelligence' peut etre introduite dans la commande des eoliennes pour resoudre ces problemes. Cette commande doit etre faite en tenant compte du comportement de l'aerogenerateur dans son ensemble. Les perturbations provenant du vent doivent egalement etre considerees. L'objectif de cette these se resume ainsi: concevoir les lois de commande d'un aerogenerateur a vitesse variable et regulation pitch, en tenant compte des perturbations eoliennes et avec quatre criteres d'optimisation. Ces criteres sont: l'amelioration de la qualite de l'energie electrique produite, du rendement energetique et de la robustesse des commandes et la diminution des efforts subis par le train de puissance de l'eolienne. Des modeles de simulation permettant d'etudier les lois de commande d'aerogenerateurs existent, mais l'impact des perturbations eoliennes sur le systeme dans son ensemble n'est en general pas considere avec suffisamment de precision. Ici, un modele de simulation d'un aerogenerateur a vitesse variable et regulation pitch est presente. Une attention particuliere est portee a l'interaction entre le vent et la turbine. Ce modele de simulation a ete valide a l'aide de donnees reelles d'une eolienne de 180 kW et de donnees provenant de la litterature. Un aerogenerateur a vitesse variable et regulation pitch a differentes zones de fonctionnement. Trois zones sont etudiees ici: celle correspondante a des vitesses de vent moyens ou la vitesse de rotation de l'eolienne est variable, celle liee a des vitesses plus importantes ou l'eolienne tourne a la vitesse nominale et celle liee aux vitesses de vent ou la puissance captee par la turbine est limitee a l'aide du pitch. En plus de la strategie de commande generale de l'eolienne, differentes conceptions de commandes dans chacune de ces zones sont examinees. Des modeles lineaires permettant d'etudier le comportement dynamique du systeme eolien sont obtenus sur differents points de fonctionnement a partir du modele de simulation non-lineaire. Certains de ces modeles sont utilises en tant que modele de commande. Des regulateurs numeriques robustes sont synthetises dans chacune des zones de fonctionnement. Ces lois de commande sont ensuite testees sur le modele de simulation. Differentes commandes sont comparees en observant leur comportement face aux quatre criteres lies a l'objectif de these. Un modele de simulation est pratique pour tester les lois de commande, mais il convient d'essayer ces lois aussi sur un banc d'essai avant de les implementer sur une eolienne reelle. Ici, l'aerogenerateur simule est emule sur un banc d'essai de 15 kW. Ensuite, quelques essais experimentaux sont realises sur ce banc. Les resultats obtenus en simulations et sur le banc d'essai montrent que des lois de commande avancees permettent d'ameliorer le comportement d'un aerogenerateur a vitesse variable et regulation pitch. (auteur)

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Original title (French)
Minimisation de l'impact des perturbations d'origine eolienne dans la generation d'electricite par des aerogenerateurs a vitesse variable

Publishing Information

Imprint Pagination
275 p.
Report number
FRNC-TH--15406

Optional Information

Notes
96 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses