Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Convertisseur de fréquence indirect à rapport de tension fixe : interface entre turbo-alternateurs à haute vitesse et réseau électrique

Benaboud, Aziza ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3733.

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    Summary
    Many electric power generators use gas turbines as power sources. Typically they are connected to the turbines through a mechanical gearbox in order to adapt their synchronous speed to the optimal rotation speed of the turbine, which is very often much higher than the synchronous speed. However, due to direct network connection, the generator speed cannot be variable : it is imposed by the network and constant. To overcome this problem, we propose to replace the mechanical gearbox by a flexible electronic solution which offers a high efficiency. Using this approach, the turbine is directly connected to the synchronous generator, which is connected to the grid through an indirect static frequency converter with an intermediary DC circuit. However, this type of converter is not common in this application because of very high switching losses due to the high frequency of the PWM technique normally used for its control. In this dissertation, a new control strategy is proposed for the three level Neutral Point Clamped converter, characterized by its high efficiency due to the use of square-wave operation mode. The main advantage of this mode is the quasi absence of switching losses. In this mode, only the frequency can be varied between the input and the output voltage, but their magnitudes are not freely controllable. A voltage magnitude adaptation can be done by the generator's excitation. The produced active and reactive power can be controlled by the generator excitation as well as both the angle shift between the generator and rectifier voltages and between the inverter and network voltages. The capacitive intermediary circuit brings the advantage of decoupling of harmonics between the generator and the network currents. A control method is also proposed to resolve some problems incurred by using square wave operation mode, in particular to reduce the harmonics distortion of the output inverter voltage and current. As second important contribution, this thesis proposes a new fast-ramping DC-component elimination strategy for AC currents. In comparison to the usually slow transient that characterizes a DC component free current transient, we achieve that much faster transients also without DC-component, simply by choosing a well defined transition period. Simulation and experimental results for different operating points and transitions between them highlight the capabilities of the proposed control strategy. These include the ability to operate with unity power factor and better current quality without continuous component and less harmonics.
    Résumé
    Les alternateurs entraînés par des turbines à gaz sont souvent couplés par l'intermédiaire d'un réducteur mécanique afin d'adapter la vitesse de la turbine à la vitesse synchrone de l'alternateur. Ce réducteur mécanique permet de faire fonctionner la turbine à haute vitesse de rotation, sa vitesse d'optimisation de rendement. Cependant, à cause de la connexion directe entre l'alternateur et le réseau électrique, cette vitesse reste invariante et dépendante du réseau électrique. D'une manière classique, pour une telle structure, l'utilisation d'un réducteur électronique de fréquence offre une grande flexibilité d'adaptation de vitesse et un meilleur rendement énergétique. Dans ce contexte, la turbine est directement reliée au générateur synchrone qui est connecté au réseau électrique à travers un convertisseur de fréquence à circuit intermédiaire. Cependant, jusqu'à présent, les convertisseurs indirects n'ont pas été intensément utilisés pour cette application, principalement à cause des pertes produites par des phénomènes de commutation à fréquence élevée relatives aux techniques de modulation de largeur d'impulsion généralement utilisées. Dans la présente thèse, nous proposons une nouvelle stratégie de commande en mode rectangulaire d'un convertisseur de fréquence à trois niveaux à circuit intermédiaire à tension continue, intervenant sur un décalage angulaire uniquement, et nécessitant une adaptation de la tension continue du circuit intermédiaire. L'avantage principal de ce mode est la quasi absence des pertes de commutation. En revanche, le rapport de tension ne peut plus être modifié librement à l'intérieur de ce convertisseur. Le contrôle des puissances active et réactive est réalisé par le déphasage entre la tension du réseau et la tension de l'onduleur d'un côté, et la tension du redresseur et celle de la machine de l'autre côté. L'adaptation de la tension continue dans le circuit intermédiaire est réalisée à travers l'excitation de la machine synchrone. La conversion indirecte à circuit intermédiaire offre l'avantage d'un découplage des composantes harmoniques de la génératrice et celles du réseau électrique. Une méthode de réglage est proposée pour résoudre certaines difficultés issues de la nouvelle stratégie de commande, elle permet notamment de réduire le taux de distorsion harmonique de la tension de sortie de l'onduleur commandé en mode rectangulaire, et d'améliorer ainsi la qualité du courant injecté dans le réseau électrique. Comme deuxième résultat important, cette thèse propose une méthode inédite pour l'élimination rapide de la composante continue typique du régime transitoire du courant alternatif. En comparaison avec le régime transitoire lent caractérisé par un courant alternatif symétrique avec une composante continue négligeable, nous démontrons qu'il est aussi possible, par un choix judicieux de la période de transition, de varier rapidement le courant alternatif sans générer de composante continue. Les résultats de simulation, ainsi que les vérifications expérimentales dans différents modes de fonctionnement, montrent qu'avec cette nouvelle technique de commande il est possible de contrôler les puissances active et réactive, de permettre un fonctionnement avec un facteur de puissance unitaire, et d'injecter dans le réseau électrique un courant de bonne qualité sans composante continue et avec moins d'harmoniques. Le présent travail de thèse a pu être réalisé grâce au soutien de la Commission pour la Technologie et l'Innovation, CTI, ainsi qu'avec le soutien du partenaire industriel ALSTOM (Switzerland) Ltd.