ppt projet de fin d'études, ingénieur d'état et master en electrotechnique
DESCRIPTION
Modélisation et simulation en temps réel de la mise en parallèle de « n » onduleursTRANSCRIPT
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
Système redondant de « n » onduleurs mis en
parallèle
Modèle moyenLes équations électriques des différentes mailles et nœuds du circuit
durant l’intervalle de commutation « j » sont :
10
Système redondant de « n » onduleurs mis en
parallèle
Modèle moyen dans le référentiel de Park
11
Système redondant de « n » onduleurs mis en
parallèle
Modèle moyen dans le référentiel de Park
12
Système redondant de « n » onduleurs mis en
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
Analyse des performances du système modulaire en
boucle ouverte
Évolution des pôles selon le nombre d’onduleurs
15
Analyse des performances du système modulaire en
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
Analyse des performances du système modulaire en
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».
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
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
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
19
La chaine: UN Onduleur de tension-Ligne aérienne-Réseau
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
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:
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
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 :
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
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
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
23
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
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
Three-Phase Breaker1
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
Three-PhaseV-I Measurement1
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+-
Voltage Measurement2
v+-
Voltage Measurement1
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
Total HarmonicDistortion3
signal THD
Total HarmonicDistortion2
signal THD
Total HarmonicDistortion1
com
A
B
C
a
b
c
Three-Phase Breaker2
com
A
B
C
a
b
c
Three-Phase Breaker1
Vabc
Iabc
A
B
C
a
b
c
Three-PhaseV-I Measurement5
Vabc
Iabc
A
B
C
a
b
c
Three-PhaseV-I Measurement3
Vabc
Iabc
A
B
C
a
b
c
Three-PhaseV-I Measurement1
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 inver7_out1
RMS Current I inver6_out1
RMS Current I inver5_out1
RMS Current I inver4_out1
RMS Current I inver3_out1
RMS Current I inver2_out
RMS Current I inver10_out
signalrms
RMS
Peak value of is_phase_A
[without saturation]
(A) 2
Peak value of is_phase_A
[without saturation]
(A) 1
Peak value of is_phase_A
[without saturation]
(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
Active & ReactivePower2
V
I
PQ
Active & ReactivePower1
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)>
<Stator current is_a (A)>
<Rotor speed (wm)>
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
25
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
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
Three-Phase Breaker2
A B C
a b c
Three-Phase Breaker1
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
Three-PhaseV-I Measurement1
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
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
Défauts de tensions déséquilibrées avec la présence du filtre
anti harmonique défaillant
COURANTS
TENSIONS
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
28
29
Echelon de fréquence
COURANTS
TENSIONS
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
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+-
Voltage Measurement3
v+-
Voltage Measurement2
v+-
Voltage Measurement1
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
Total HarmonicDistortion3
signal THD
Total HarmonicDistortion2
signal THD
Total HarmonicDistortion1
com
A
B
C
a
b
c
Three-Phase Breaker2
com
A
B
C
a
b
c
Three-Phase Breaker1
Vabc
Iabc
A
B
C
a
b
c
Three-PhaseV-I Measurement5
Vabc
Iabc
A
B
C
a
b
c
Three-PhaseV-I Measurement3
Vabc
Iabc
A
B
C
a
b
c
Three-PhaseV-I Measurement1
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 inver7_out1
RMS Current I inver6_out1
RMS Current I inver5_out1
RMS Current I inver4_out1
RMS Current I inver3_out1
RMS Current I inver2_out
RMS Current I inver10_out
signalrms
RMS
Peak value of is_phase_A
[without saturation]
(A) 2
Peak value of is_phase_A
[without saturation]
(A) 1
Peak value of is_phase_A
[without saturation]
(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
Active & ReactivePower2
V
I
PQ
Active & ReactivePower1
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)>
<Stator current is_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
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
32
Partage des courants de sortie au niveau de chaque onduleur:
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
33
Simulation de la perte d’un onduleur
Réalisation-Simulation-Résultats et Discussions
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.
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On vous remercie pour votre attention