Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section d'électricité, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de machines électriques LME)

Double-fed asynchronous motor-generator equipped with a 3-level VSI cascade

Hodder, André ; Simond, Jean-Jacques (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2939.

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    Summary
    In a concern for sustainable development, the rational use of electrical energy implies having transportation networks capable of transmitting large quantities of electrical energy over long distances as well as adequate storage plants. This double requirement is the consequence of the fact that electrical energy has to be produced and consumed simultaneously, as direct storage of large quantities is not economically feasible. Nowadays, as thermal power plants and run-off river plants are always working at their nominal power for economic reasons; it is not possible to cover the large space and time demand variations without having an efficient transportation network and adequate storage capacities. The recent start up of major windformer sites also implies the need for supplementary storage capacities. The inventory of large storage plants reveals the solution "pump-storage plant" as being one of the best in terms of storage potential, flexibility, reliability, response time, efficiency, risks and costs. Nearly all the pump-turbine groups operating today consist of synchronous motor-generators working at the network frequency and therefore at constant speed. The performance and efficiency of such groups can be significantly improved by using variable speed motor-generators, and more specifically doubly-fed asynchronous motor-generators. The few variable speed units in operation today are equipped with a cyclo-converter cascade. The purpose of the present thesis is to propose the replacement of the cyclo-converter solution by a back to back 3-level VSI cascade and investigate the complete regulation strategy. This solution compared to the former has the advantage of providing the possibility of regulating the reactive power in the rotor cascade as well as not polluting the network with sub-harmonics. The three steps followed in such a study, modelling, simulation and practical measurements have permitted the elaboration of a functional tool for the design of the control for such a system.
    Résumé
    Dans l'optique d'un développement durable, l'utilisation rationnelle de l'énergie électrique impliquera la mise en oeuvre de réseaux capables de transporter sur de longues distances des quantités importantes d'énergie électrique, et d'équipements de stockage d'énergie sous une forme autre qu'électrique. Cette double exigence est la conséquence du fait que l'énergie électrique doit être simultanément produite et consommée puisqu'il n'est pas possible de la stocker directement en quantité appréciable. En effet, dans la mesure où une part importante de l'énergie électrique est produite par des centrales thermiques ou hydrauliques au fil de l'eau exploitées pratiquement en permanence à leur régime nominal, il n'est pas possible de couvrir une demande fortement variable dans le temps et dans l'espace sans disposer de réseaux de transport performants et de capacités de stockage adéquates. L'appartition récente de sites éoliens conséquents implique des capacités de stockage supplémentaires. L'inventaire des techniques permettant le stockage de quantités importantes d'énergie fait apparaître la solution "groupes de pompage-turbinage" comme étant globalement la meilleure en termes de potentiel de stockage, de flexibilité et fiabilité d'exploitation, de temps de réponse, de rendement, de risques et de coûts. Les groupes de pompage-turbinage actuellement en exploitation sont quasiment tous réalisés avec des moto-générateurs synchrones à la fréquence du réseau et par conséquent à vitesse constante. Les performances de tels groupes peuvent être massivement améliorées en recourant à des moto-générateurs à vitesse variable, en particulier à des machines de type asynchrone à rotor bobiné et doté d'une cascade rotorique. Les quelques groupes à vitesse variable de ce type en exploitation à ce jour sont équipés d'une cascade comportant un cyclo-convertisseur. Le remplacement de la cascade de type cyclo-convertisseur par une cascade de type convertisseur de tension 3-niveaux est l'objectif majeur de ce projet. Les principaux avantages de ce remplacement sont la possibilité de régler la puissance reactive de la cascade rotorique et aucune présence de sous-harmoniques. Les trois échelons nécessaires à une telle étude, à savoir modélisation, simulation et expérimentation ont permit l'élaboration d'un outil fonctionnel pour le dimensionnement du contrôle d'un tel dispositif.