PPT projet de fin d'études, Ingénieur d'état et Master en Electrotechnique

Ecole Nationale Polytechnique

Département du Génie Electrique

Electrotechnique

En vue de l’obtention du Diplôme

d’Ingénieur d’Etat en Electrotechnique

THEME

Modélisation et simulation en temps réel

de la mise en parallèle de « n » onduleurs

Présenté par:

DAOU Hocine

HABOUB Islam

Projet de Fin d’Etudes

Proposé par:

Mr. T. ZEBBADJI

Plan de travail

Introduction

Types d’interconnexions d’onduleurs

L’intérêt de la modélisation en électronique de puissance

2

La moyenne dans l’espace d’état

Système redondant de « n » onduleurs mis en parallèle

Analyse des performances du système modulaire en boucle

ouverte

Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions

Conclusion

3

Introduction

L’enjeu actuel dans le monde entier est celui de

l’énergie sous toutes ses formes, notamment, l’énergie

électrique. Cette dernière a connu des avancées

spectaculaires et plus particulièrement dans le domaine

du renouvelable. La conversion DC-AC est actuellement

le cœur battant de ces nouvelles technologies de

l’énergie. Dans ce contexte, l’onduleur est retenu comme

élément moteur pour toute conversion d’énergie issue du

renouvelable pour la consommer soit localement ou

l’injecter aux réseaux conventionnels. Vu la demande

croissante de puissance l’option d’interconnexion

d’onduleurs s’avère imposante.

4

Types d’interconnexion d’onduleurs

Interconnexion série

5

• Atteindre des puissances souvent inaccessibles par

un module employé seul .

• La redondance des différents modules connectés en

parallèle.

• Partage de la puissance tout au long des « n » onduleurs

mis en parallèle.

• Normalisation et réduction du cout total de

fabrication, et de la maintenance.

• Amélioration des formes d’ondes de sortie en

commutant les interrupteurs à des plus hautes

fréquence.

Types d’interconnexion d’onduleurs

Interconnexion parallèle

6

L’intérêt de la modélisation en électronique de

puissance

• Le développement de prototypes et le dimensionnement de ses

éléments.

• Réglage et optimisation des paramètres.

• La spécification des contraintes électriques sur les composants d’un

système.

• La validation des prototypes en fonctionnement normal et dans des

modes perturbés.

• Etudes d’interactions entres les systèmes.

7

La moyenne dans l’espace d’état

Elle nous permet:

• D’étendre les techniques standards d’analyse DC-AC en technique

de circuits à commutation.

• Le passage d’une étude de cycle par cycle à une étude moyenne

de tout le circuit.

• De trouver un modèle simplifié à fonctionnement continu à partir

d’un système discret et plus complexe.

• De déterminer les critères de stabilité et les temps de réponse.

8

Système redondant de « n » onduleurs mis en

parallèle

Le circuit étudié

9


parallèle

Modèle moyenLes équations électriques des différentes mailles et nœuds du circuit

durant l’intervalle de commutation « j » sont :

10


parallèle

Modèle moyen dans le référentiel de Park

11


parallèle

Modèle moyen dans le référentiel de Park

12


parallèleEn calculant la matrice de transfert du système d’état dans le référentiel

de Park, on obtient les fonctions de transfert suivantes:

13

Analyse des performances du système modulaire en

boucle ouverte

Modèle de simulation en boucle ouverte

1.737e+006

pertes Joule

i_dq

i_abc

Vg

V_c i_in

V_abc

yout

Signal To

Workspace

Scope3

Scope2

Scope1

0.3305

Rendement

signalrms

RMS

2.595e+006

Puissance à l 'entrée

8.575e+005

Puissance active à la sortie1

2.595e+006

Puissance active à la sortie

Product4

Product3

Product2Product1

theta

i_d

i_q

i_a

i_b

i_c

Park inverse1

theta

i_d

i_q

i_a

i_b

i_c

Park inverse

u2

Math

Function

-K-

Gain6

-K-

Gain5

1

Gain4

n

Gain2

C

Gain1

w

Gain

num(s)

den(s)

Fiq_Vg

num(s)

den(s)

Fiq_Ed

num(s)

den(s)

Fid_Vg

1

L.s+R

Fid_Ed1

num(s)

den(s)

Fid_Ed

num(s)

den(s)

FVc_Vg

num(s)

den(s)

FVc_EdEd

Dot Product2

Dot Product1

Dot Product

Divide

du/dt

Derivative

-C-

Constant4

-C-

Constant2

n*R*3

Constant1

Clock

Add6

Add5

Add4

Add3

Add2

Add1

14


boucle ouverte

Évolution des pôles selon le nombre d’onduleurs

15


boucle ouverte

L’effet de la résistance de synchronisme sur les

performances du système.

L’évolution des pôles selon les variations de la

résistance de synchronisme

16


boucle ouverte

L’effet de la résistance de synchronisme sur les

performances du système.

17

De ce que nous venons de voir,

« la modélisation selon la moyenne dans l’espace

d’état nous a permis de déduire l’influence du

nombre « n » d’onduleurs connectés en parallèle

et de la résistance de synchronisme (au dépend du

rendement) sur la stabilité du système».


18

Les buts recherchés dans cette section sont les suivants:

1) Modélisation de la chaine:

« VSI-Ligne de transport aérien-Réseau »

2) La régulation en Boucle fermée des tensions et des courants.

3) Etude de la stabilité du système de régulation des courants sous

l’influence de différents défauts. (porte ouvertes sur le

diagnostique).

4) Validation des résultats de la simulation


19

La chaine: UN Onduleur de tension-Ligne aérienne-Réseau


20

En choisissant des régulateurs PI de la forme:

La boucle d’asservissement de courant sera de la forme

PI

PI

[I_si]F(p)

Fcn1

(V_0)/2

Fcn

1

I_sref

FTBO:

FTBF:


21

En comparant le dénominateur de la FTBF avec le

dénominateur d’ordre 2 suivant

Avec identification, on trouve que les

paramètres du régulateur PI sont donnés par :


22

Le bloc de la régulation de courant en temps réel implémenté dans

le modèle Matlab est le suivant

PI_Id

1

pulse

Ualf a

Ubetapulse

svpwm

dq0

sin_cos

abc

dq0_to_abc

Ua

Ub

Uc

Ualpha

Ubeta

fcn

clark

abc

sin_cos

dq0

abc_to_dq0

z

1

Unit Delay2

Scope7Scope6

Scope5

Scope4

Scope3

Scope2

Scope1

Scope

0

Iq_ref1

300

Id_ref

1/10

Gain

0

Constant

PI

PI_Iq

PI

2

sin_cos

1

I_load


23


Nombre de

modules

[unités]

Intervalle de

simulation [s]

Durée que prend la

simulation en

moyenne [minutes]

Ressources physiques

nécessaires

Mémoire cache

[en % de 2Gb)

µProcesseur

[en % de 4

cœurs d’un i3]

4 [0 ,0.1] 26 53 16

10 [0 ,0.1] 45 73 30

18 [0, 0.1] 126 93 ! 59 !

Pour le cas des 18 onduleurs on s’est planté

24

Continuous

powergui

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge3

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge2

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge1

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge

Udc3

A B C

a b c

Three-Phase Breaker2

A B C

a b c


A B C

a b c

Three-Phase Breaker

Vabc

IabcA

B

C

a

b

c

Three-PhaseV-I Measurement2

Vabc

Iabc

A

B

C

a

b

c


A B C

Three-PhaseSeries RLC Load1

I_load

sin_cos

pulse

Subsystem

Scope4

Scope3

Scope2

Scope1

Lc1

Lb1

La1

N

A

B

C

Grid

1/9

Gain

Vabc(pu)

Freq

wt

Sin_Cos

Discrete

3-phase PLL

Ia

Iarms

Va

Varms

I2

I3

I6

Iabc

high pass filter

(150 var)

Grid

1

wref (pu)

v+-

vab1 vab (V)1

-K-

rpm

Continuous

pow ergui2

Continuous

-K-

peak2rms9

-K-

peak2rms8

-K-

peak2rms7

-K-

peak2rms6

-K-

peak2rms5

-K-

peak2rms4

-K-

peak2rms2

-K-

peak2rms14

-K-

peak2rms13

-K-

peak2rms12

-K-

peak2rms11

-K-

peak2rms10

-K-

peak2rms1

-K-

peak2rms

is_phase_A

(A)

ir,is (A)

iA (A)1

i+

-

i mach9

i+

-

i mach8

i+

-

i mach7

i+

-

i mach6

i+

-

i mach5

i+

-

i mach4

i+

-

i mach3

i+

-

i mach2

i+

-

i mach12

i+

-

i mach11

i+

-

i mach10

i+

-

i mach1

i+

-

i in_tot

1

Vtref (pu)

v+-

Voltage Measurement3

v+-


v+-


Vg_Scope

v+-

Vg

Vabc_THD-Real time1

Vabc

Vab

Va_mean

Va_THD-Real time

Va_Anh Ampl

V rot1

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge9

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge8

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge7

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge6

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge5

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge4

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge3

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge2

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge1

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge

signal THD

Total HarmonicDistortion4

signal THD


signal THD


signal THD


com

A

B

C

a

b

c


com

A

B

C

a

b

c


Vabc

Iabc

A

B

C

a

b

c


Vabc

Iabc

A

B

C

a

b

c


Vabc

Iabc

A

B

C

a

b

c


Te (N.m)

I_load

sin_cos

pulse

SubsystemVab_B2

Vabrms_B2

Ia_B2

Ia rms_B2

Signals & Scopes

1

Scope8

Scope14

Scope11

Scope10

Scope1

Vf _

m

A

B

C

Pm

SM 3.125 MVA

SM

signalrms

RMS4

signalrms

RMS3

signalrms

RMS2

signalrms

RMS1

RMS Uab voltage2

RMS Ua voltage

RMS Ia current

RMS Current Synchronous

RMS Current I inver9_out1

RMS Current I inver8__out






RMS Current I inver2_out


signalrms

RMS

Peak value of is_phase_A

[without saturation]

(A) 2



(A) 1



(A)

PQ real Time4

PQ real Time3

PQ real Time2

PQ real Time1

PQ real Time

PQ instaneous

P Q total2

P Q Synchronous M

P Q Phase Al

P Q Phase A

P Q AS-Motor Scope

N (rpm)

Measurements

In Mean

Mean Value1

In Mean

Mean Value

Manual Switch

Mag, Ph Iabc

Mag Ph Vabc

0

Load

Mechanical

Torque (N.m)

Line measurments

Lc1

Lb1

La1

Inverter's intensity signals

In's scope

In inverter (RMS)

Iin_tot (RMS )

Iin_1

Iin (inverter) rms Scope

Ic

Iabc_THD-Real time1

Iabc & Vabc

Iabc

Ia_mean

Ia_THD-Real time

Ia_Anh Ampl

N

A

B

C

Grid

1/9.5

Gain

signal

magnitude

angle

Fourier9

signal

magnitude

angle

Fourier8

signal

magnitude

angle

Fourier7

signal

magnitude

angle

Fourier6

signal

magnitude

angle

Fourier5

signal

magnitude

angle

Fourier4

signal

magnitude

angle

Fourier3

signal

magnitude

angle

Fourier2

signal

magnitude

angle

Fourier16

signal

magnitude

angle

Fourier15

signal

magnitude

angle

Fourier14

signal

magnitude

angle

Fourier13

signal

magnitude

angle

Fourier12

signal

magnitude

angle

Fourier11

signal

magnitude

angle

Fourier10

signal

magnitude

angle

Fourier1

signal

magnitude

angle

Fourier

f(k)

F(n)

RMS

FFT

FFT2

f(k)

F(n)

RMS

FFT

FFT1

A B C

F2

Vabc(pu)

Freq

wt

Sin_Cos

Discrete

3-phase PLL

wref

Vtref

m

Pm

Vf

Vt

w

Diesel Engine

Speed & Voltage

Control

1

DISTRUCTION!

D

i+

-

Current Measurement2

C

Breaker

Control2

Breaker

Control1

A

B

C

a

b

c

B2

mA

B

C

Tm

Asynchronous Machine

without saturation

V

I

PQ

Active & ReactivePower4

V

I

PQ


V

I

PQ


V

I

PQ

Active & ReactivePower

V

I

PQ

Active & ReactiveAsynchronous Motor

Vabc

Iabc

PQ

3-phase Instantaneous

Active & Reactive Power

abc

Mag

Phase

3-PhaseSequence Analyzer1

abc

Mag

Phase

3-PhaseSequence Analyzer

A B C

a b c

2400V - 380V

6 MVA

A B C

1 MW

Vabc_B2

Vabcrms_B2

Iabcrms_B2

Vt (pu)

Speed (pu)

Pmec (pu)

Vf (pu)

<Stator current is_a (A)>

<Electromagnetic torque Te (N*m)>

<Rotor current ir_a (A)>


<Rotor speed (wm)>


25


Circuit de simulation des quatre onduleurs

Continuous

powergui

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge3

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge2

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge1

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge

Udc3

A B C

a b c


A B C

a b c


A B C

a b c

Three-Phase Breaker

Vabc

IabcA

B

C

a

b

c


Vabc

Iabc

A

B

C

a

b

c


A B C

Three-PhaseSeries RLC Load1

A B C

Three-PhaseHarmonic Filter

I_load

sin_cos

pulse

Subsystem

Scope4

Scope3

Scope2

Scope1

Lc1

Lb1

La1

N

A

B

C

Grid

1/9.5

Gain

Vabc(pu)

Freq

wt

Sin_Cos

Discrete

3-phase PLL

26

Réalisation-Simulation-Résultats et DiscussionsCourant de sortie des quatre onduleurs mis en parallèle sans filtre défaillant

Courant de sortie des quatre onduleurs mis en parallèle avec filtre défaillant

Courant de sortie des quatre onduleurs mis en parallèle dans le cas d’une

bosse de tension en présence d’un filtre anti harmonique défaillant

27

Echelon de tension sans la présence du filtre anti

harmonique

COURANTS

TENSIONS


Défauts de tensions déséquilibrées avec la présence du filtre

anti harmonique défaillant

COURANTS

TENSIONS


28

29

Echelon de fréquence

COURANTS

TENSIONS


30

Ia

Iarms

Va

Varms

I2

I3

I6

Iabc

high pass filter

(150 var)

Grid

1

wref (pu)

v+-

vab1 vab (V)1

-K-

rpm

Continuous

pow ergui2

Continuous

-K-

peak2rms9

-K-

peak2rms8

-K-

peak2rms7

-K-

peak2rms6

-K-

peak2rms5

-K-

peak2rms4

-K-

peak2rms2

-K-

peak2rms14

-K-

peak2rms13

-K-

peak2rms12

-K-

peak2rms11

-K-

peak2rms10

-K-

peak2rms1

-K-

peak2rms

is_phase_A

(A)

ir,is (A)

iA (A)1

i+

-

i mach9

i+

-

i mach8

i+

-

i mach7

i+

-

i mach6

i+

-

i mach5

i+

-

i mach4

i+

-

i mach3

i+

-

i mach2

i+

-

i mach12

i+

-

i mach11

i+

-

i mach10

i+

-

i mach1

i+

-

i in_tot

1

Vtref (pu)

v+-


v+-


v+-


Vg_Scope

v+-

Vg

Vabc_THD-Real time1

Vabc

Vab

Va_mean

Va_THD-Real time

Va_Anh Ampl

V rot1

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge9

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge8

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge7

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge6

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge5

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge4

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge3

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge2

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge1

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge

signal THD


signal THD


signal THD


signal THD


com

A

B

C

a

b

c


com

A

B

C

a

b

c


Vabc

Iabc

A

B

C

a

b

c


Vabc

Iabc

A

B

C

a

b

c


Vabc

Iabc

A

B

C

a

b

c


Te (N.m)

I_load

sin_cos

pulse

SubsystemVab_B2

Vabrms_B2

Ia_B2

Ia rms_B2

Signals & Scopes

1

Scope8

Scope14

Scope11

Scope10

Scope1

Vf _

m

A

B

C

Pm

SM 3.125 MVA

SM

signalrms

RMS4

signalrms

RMS3

signalrms

RMS2

signalrms

RMS1

RMS Uab voltage2

RMS Ua voltage

RMS Ia current

RMS Current Synchronous


RMS Current I inver8__out








signalrms

RMS



(A) 2



(A) 1



(A)

PQ real Time4

PQ real Time3

PQ real Time2

PQ real Time1

PQ real Time

PQ instaneous

P Q total2

P Q Synchronous M

P Q Phase Al

P Q Phase A

P Q AS-Motor Scope

N (rpm)

Measurements

In Mean

Mean Value1

In Mean

Mean Value

Manual Switch

Mag, Ph Iabc

Mag Ph Vabc

0

Load

Mechanical

Torque (N.m)

Line measurments

Lc1

Lb1

La1

Inverter's intensity signals

In's scope

In inverter (RMS)

Iin_tot (RMS )

Iin_1

Iin (inverter) rms Scope

Ic

Iabc_THD-Real time1

Iabc & Vabc

Iabc

Ia_mean

Ia_THD-Real time

Ia_Anh Ampl

N

A

B

C

Grid

1/9.5

Gain

signal

magnitude

angle

Fourier9

signal

magnitude

angle

Fourier8

signal

magnitude

angle

Fourier7

signal

magnitude

angle

Fourier6

signal

magnitude

angle

Fourier5

signal

magnitude

angle

Fourier4

signal

magnitude

angle

Fourier3

signal

magnitude

angle

Fourier2

signal

magnitude

angle

Fourier16

signal

magnitude

angle

Fourier15

signal

magnitude

angle

Fourier14

signal

magnitude

angle

Fourier13

signal

magnitude

angle

Fourier12

signal

magnitude

angle

Fourier11

signal

magnitude

angle

Fourier10

signal

magnitude

angle

Fourier1

signal

magnitude

angle

Fourier

f(k)

F(n)

RMS

FFT

FFT2

f(k)

F(n)

RMS

FFT

FFT1

A B C

F2

Vabc(pu)

Freq

wt

Sin_Cos

Discrete

3-phase PLL

wref

Vtref

m

Pm

Vf

Vt

w

Diesel Engine

Speed & Voltage

Control

1

DISTRUCTION!

D

i+

-

Current Measurement2

C

Breaker

Control2

Breaker

Control1

A

B

C

a

b

c

B2

mA

B

C

Tm

Asynchronous Machine

without saturation

V

I

PQ


V

I

PQ


V

I

PQ


V

I

PQ

Active & ReactivePower

V

I

PQ

Active & ReactiveAsynchronous Motor

Vabc

Iabc

PQ

3-phase Instantaneous

Active & Reactive Power

abc

Mag

Phase

3-PhaseSequence Analyzer1

abc

Mag

Phase

3-PhaseSequence Analyzer

A B C

a b c

2400V - 380V

6 MVA

A B C

1 MW

Vabc_B2

Vabcrms_B2

Iabcrms_B2

Vt (pu)

Speed (pu)

Pmec (pu)

Vf (pu)


<Electromagnetic torque Te (N*m)>

<Rotor current ir_a (A)>


<Rotor speed (wm)>

31

Courants de sortie totaux pour le cas des dix onduleurs

connectés en parallèle:Figure VI-32 a

Figure VI-32 b

Figure VI-32 c

Figure VI-32 d


32

Partage des courants de sortie au niveau de chaque onduleur:


33

Simulation de la perte d’un onduleur


34

Conclusion

Au terme de ce travail nous avons pu :

Avoir un schéma équivalent moyen simplifié pour

« n » onduleur mis en parallèle.

On a pu noter l’influence de la résistances de

synchronisme ainsi que le nombre « n » d’onduleurs

sur la stabilité du système.

Simuler en temps réel le fonctionnement du circuit

global régulé en présence de quelques défauts tel que

*lors de la disparition du défaut, le système

revient à son système d’équilibre

*le partage du courant le long des « n »

onduleurs à été bien vérifié.

Conclusion

Le courant I délesté par la perte d’un onduleur est pris en

charge par les ‘n-1’ onduleurs restants.

Pour des travaux ultérieurs, nous vous proposons de

mener l’étude pour « n »onduleurs différents.

35

On vous remercie pour votre attention

Education

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