Aucun titre de diapositivemaster-gr2e.univ-lille1.fr/formation/fichiers/smm-diaporama-gr2e.pdf · MODELISATION ET COMMANDE PAR REM Master Pro GR2E, Université de Lille 1, septembre

MMODELISATION ET ODELISATION ET CCOMMANDE PAROMMANDE PAR REM REMMaster Pro GR2E, Université de Lille 1, septembre 2004

1

MMODELISATION ETODELISATION ET C COMMANDE DE OMMANDE DE SSYSTEMES YSTEMES EENERGETIQUESNERGETIQUES

PAR PAR RREPRESENTATION EPRESENTATION EENERGETIQUE NERGETIQUE MMACROSCOPIQUE ACROSCOPIQUE (REM)(REM)

A. Bouscayrol

Master Pro GR2ESeptembre 2004Université de Lille 1

http://www.univ-lille1.fr/l2ep/commande/eq-com-smm.htm


2

Introduction

Nécessité d’outils synthétiques de description


3- Objectifs -

Systèmes étudiés : systèmes de conversion énergétiquecomposés d’un certain nombre de composantes de puissance

Analyse et commande complexes : plusieurs niveaux de fonctionnement (global et local)

Représentations imbriquées (multi-niveaux)et

structuration adaptée de la commande


4- Exemple d’un système éolien -

Structure de conversion éolienne avec Machine Asysnchrone

Cahier des charges : maîtrise de la puissance fournie P et gestion de la puissance réactive Q

vvent

itrans1

ures13C

réseautri

transfotri

onduleurtri

condomachineasynchrone

ilign2

ligne +filtre

ucond

iond

ired

redresseurtri

ims1

arbres etréducteur

palesvent

Ωred Cmach

Cpal

ures23

itrans2

utrans13

utrans23

uond13

uond23

ilign1

ured13

ured23

ims2

Ωarb

Ωarb

Cred


5

réseautri

ligne+ filtre

onduleurtricondo

machineasynchrone

transfotri

redresseurtri

arbres etréducteurpalesvent

RSM P R MA SEO T

vvent

uresmomr

vvent

PFpal

Cpal

varb

Représentation Énergétique Macroscopique

vvent

Fpal

Cpal

varb

Ftang

Rpal

vpal

Cp/λ

Fpal

Sous-niveau de représentation(GIC)

- Exemple d’un système éolien -


6

réseautri

ligne+ filtre

onduleurtricondo

machineasynchrone

transfotri

redresseurtri


RSM P R MA SEO T

vvent

uresmomr

Structure maximale de commande

SGP

SGP : Stratégie deRéglage de la Puissance Active

SRQuc-ref

SGQ : Stratégie deRéglage de la Puissance Réactive

- Exemple d’un système éolien -


7- Plan -

VALV. Extensions aux Systèmes

Multimachines

IV. Structure Maximale de Commande (SMC) ref

mes

I. Notions de systémiqueet de modèles Système

III. Représentation Énergétique Macroscopique (REM) S2S1

II. Graphe Informationnel Causal (GIC)


8

Système

I. Notions de systémiqueet de modèles

I.1. Différentes représentations d’un système

I.2. Différentes approches systémiques

I.3. Description interne d’un système

I.4. Description externe d’un système

Quelles caractéristiques pour un modèle de système énergétique ?


9

Représentation Structurelle

Trait entre éléments =lien physique (lien filaire…)

Exemple : simulation d’unensemble à MCC sous PSIMTM

(logiciel « circuit »)

Description : par caractéristiques physiques des composants du systèmeLogiciels : dessin industriel, circuit, éléments finis…Liens entre éléments : connexions physiquesInconvénient : propriétés fonctionnelles sous-jacentes

I. Systémique I.1. différentes représentations


10

Représentation Fonctionnelle

Description : par fonctions des composants du systèmeLogiciels : mathématiques, systèmes, séquentiels…Liens entre éléments : variables d’échangeInconvénient : propriétés structurelles sous-jacentes

Trait entre éléments =lien conceptuel (variable commune)

Exemple : simulation d’unensemble à MCC sous Matlab-SimulinkTM (logiciel « système »)

I. Systémique I.1. différentes représentations


11

La représentation des systèmes énergétiques complexesen vue de leur commande

doit être

un compromis entre description « structurelle » (vision physique) et « fonctionnelle » (vision conceptuelle)

Bilanpartie I

basée sur la systémique (description externe par action - réaction) structuraliste (description interne causale)

mise en avant mise en avant des aspects énergétiquesdes aspects énergétiquesnécessité de modèle imbriqués

de niveaux différents

I. Systémique bilan


12

II. Graphe InformationnelCausal (GIC)

II.1. Éléments constitutifs du GIC

II.2. Graphe de modélisation d’un système

II.3. Le principe d’inversion

II.4. Graphe de commande d’un système

Représentation synthétique minimale ?


13 II. GIC II.2. graphe de modélisation

1. Détermination des éléments constitutifs

3. Association des divers processeurs

u

kφ

i

Ω

Cem

e Cr

Ω

e- Ri - u idtdL = ΩΩ f rC emC

dtdJ −−=Ωφ k e =

2. Causalité de chaque élément séparéCem

CrΩ

i Ceme Ωu

e

i

i k Cem φ=


14

1. GIC du Processus

2. Détermination chemin de réglage

5. Simplifications de mise en œuvre

3. Inversion du chemin de réglage

rigide

Inversion directe

causal

asservissement

6. Synthèse des correcteurs

4. Estimation des grandeurs non mesurables

II. GIC II.4. graphe de commande


15

VDC

mi

um

is

Ωcm

Cem

f11 f21

f12 f22

cabine

cabF

vcab

VDC um

im

m

is Fres

kR

vcab

kφ

is

Ω

Cem

e Cres

Ω1. GIC



16

VDC um

im

m

is Fres

kR

vcab

kφ

is

Ω

Cem

e Cres

Ω1. GIC

)t(e- Ri(t) - )t(u )t(idtdL m=

)t(f )t(rC )t(emC )t(dtdJ ΩΩ −−= (t)i m (t)i

V m(t)u smDCm

==

==

(t) k e(t)(t)i k (t)C

semΩφ

φ (t)F k (t)C(t)k(t)v

resRresRcab

== Ω



17

e cr

Commande du hacheurpour déplacer la cabine

VDC um

im

m

is Fres

kR

vcab

kφ

is

Ω

cem Ω

2. Chemin de réglage



18

VDC um

m

is Fres

vcabis

Ω

cem

e cr

Ω

is-reg vcab-refΩreg

3.Inversion

VDC-mes

mreg is-mes

um-reg

emes Ωmes

cem-reg

cr-mes



19

VDC um

m

is Fres

vcabis

Ω

cem

e cr

Ω


4. Estimation

VDC-mes

mreg is-mes

um-reg

Ωmes

cem-reg

eest

Ωest

cr-est



20

VDC um

m

is Fres

vcabis

Ω

cem

e cr

Ω


5. Mise en œuvre

VDC-mes

mreg is-mes

um-reg

Ωmes

cem-reg

eest

Ωest

cr-est



21

Inadapté pour

Inadapté pour

les systèmes complexes

les systèmes complexesune modélisation fonctionnelle structuraliste des systèmes simples

(suite de causes à effet)

La Graphe informationnel Causal (GIC)est un outil graphique

qui permetBilanpartie II

La détermination d’une structure de commande déduite par le principe d’inversion

Ne donne pas la synthèse de la commande(il faut des outils complémentaires : automatique)

II. GIC bilan


22

S2S1

III. Représentation ÉnergétiqueMacroscopique (REM)

III.1. Éléments constitutifs des REM

III.2. Conversion entre deux sources énergétiques

III.3. Règles d’association de structures de conversion

III.4. Application à la conversion électromécanique

Représentation synthétique minimale ?


23

vvent

itrans1

ures13C

réseautri

transfotri

onduleurtri


ilign2

ligne +filtre

ucond

iond

ired

redresseurtri

ims1

arbres etréducteur

palesvent

Ωred Cmach

Cpal

ures23

itrans2

utrans13

utrans23

uond13

uond23

ilign1

ured13

ured23

ims2

Ωarb

Ωarb

Cred

ligne+ filtre

onduleurtri


transfotri

redresseurtri

arbres etréducteur

pales

RP R MA O T

réseautri

vent

SM SE

vvent

uresmomr

III. REM III.4. exemple d’application


24

ligne+ filtre

onduleurtri


transfotri

redresseurtri

arbres etréducteur

pales

RP R MA O T

réseautri

vent

SM SE

vvent

uresmomr

vvent

Fpal

Cpal

Ωred

Ftang

Rpal

vpal

Cp/λ

Fpal

Niveau 2 de représentation (GIC)

Niveau 3 de représentation (mathématique et caractéristique)Cp/λ = f(λ)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0 5 10 15

=

=

redpalpal

gtanpalpal

Rv

FRC

Ω2

ventvent VS21F ρ=

vent

palvv

=λ

ventp

gtan FC

Fλ

=

vvent

PFpal

Cpal

Ωred

Niveau 1 de représentation(REM)



25

OKNON

Problème d’association

ligne+ filtre

onduleurtri


transfotri

redresseurtri

arbres etréducteur

pales réseautri

vent

vvent

RP R MA O TSM SEures

momr

=

=

1red2

2red1

Ck

CkC

Ω

C1

RΩ1

C2

Ω2

1palredred1 CCfdtdJ −=+ ΩΩ

Ωred

Cpal Ωred

C1

ma2arb2arb2 CCfdtdJ −=+ ΩΩ

Ωarb

Cpal Ωarb

Cma

1. permutationΩarb2

RC3

Ωarb

CmaΩred

Cpal Ωred

C1 Ωarb2

C4

2. concaténation



26

ligne+ filtre

onduleurtri


transfotri

redresseurtri

arbres etréducteur

pales

RP R MA O T

réseautri

vent

SM SE

vvent

uresmomr

Ωarb

Cma

ima

ima uond

ema

MA

Niveau 1(REM)

U]B[X]A[Xdtd

+=

=

=sqsq

sdsd

rq

rd

sq

sd

e-v

e-vU

i

i

X

φ

φ

Modèle de Park dans (d,q) lié à Φr

)i(fC

),i(fe

dq_madqma

arbdq_madqma=

=

−

− Ω

Niveau 2(modèle d’état)



27

ligne+ filtre

onduleurtri


transfotri

redresseurtri

arbres etréducteur

pales

RP R MA O T

réseautri

vent

SM SE

vvent

uresmomr

Niveau 2(GIC vectoriel)

vondvcond

mond

iligniondvred

mred

ired

vcond

ima

=

=

ligntondond

condondond

imi

vmv

=

=

matredred

condredred

imi

vmv

ondredcond iivdtdC −=

Niveau 3(Mathématique)

Niveau 2(Schémas

Blocs)

vondvcond

mond

iligniond

mred

iredima

X

XK

1+τp

X

X

vred

+ -



28

ligne+ filtre

onduleurtri


transfotri

redresseurtri

arbres etréducteur

pales

RP R MA O T

réseautri

vent

SM SE

vvent

uresmomr

vvent

ilign

vond ilign

v1

1. concaténation

NON

Problème d’association

OKNONv3

ilign

vres

itrans

v1ilign

vond

=

=

1trans2

2trans1

iki

vkv

v1

itrans

v2v2

i1i2

ifilt

ifilt

v3

res2trans2trans2 vviRidtdL −=+

Tinitial

v1

i4

2. permutation

itrans

vresv4

i4Tequiv

3. concaténation

Niveau 2 (Modèle Éléments Finis)



29

Bilanpartie III

La REM est une représentation synthétique de type systémique structuraliste

de systèmes énergétiques

Mise en évidence des interactions des composantes d’un systèmeet des transferts énergétiques

Bien poser le problème de leurs associations (et des conséquences fonctionnelles : les variables d’état)

Représentation homogène (pour des constituants de domaine, de nature, de propriété différents...)

Propriétés

ApplicationsSynthèse, Analyse, Aide à la simulation, Commande...

III. REM bilan


30

ref

mes

IV. Structure Maximalede Commande (SMC)

IV.1. Inversion des éléments constitutifs

IV.2. Structure Maximale de Commande

IV.3. Structures Pratiques de Commande

IV.4. Degrés de liberté et stratégie

Quelle structure de commande pour un système énergétique ?


31

fusion4. simplification de la commande

2. chaîne de réglage (cahier des charge)

IV. SMC IV.3. structure pratique de commande

vers une structure pratique

SE SM

1. REM du système

3. inversion de chaque élément

5. estimation des grandeurs non mesurables

6. synthèse des correcteurs

Correcteur PIDdétermination kP kI kD


32

réseautriphasé

ligne+ filtre

onduleurtriphasécondo

machineasynchrone

transfotriphasé

redresseurtriphasé


RSM P R MA SEO T

vvent

uresmo=[mo1 mo2]tmr=[mr1 mr2]t

CmaΩarb

itrans

Objectifs : réglages des puissances P et QContraintes : maintient de ucond et de Φma

4 variables de réglage

réf 3 ?

réf 4 ?réf 2 ? ? ?réf 1 ?

IV. SMC IV.4. degrés de libertés et stratégie

exemple d’un système éolien


33

ilign

réseautri

ligne+ filtre

onduleurtri condo

transfotri

SE OT

ures

mo=[mo1 mo2]t

itrans

SEeq.

sourceéquivalente

utrans

ilign uond ucond

iond ucond

ired

itrans-ref ilign-ref

MLI

uond-ref

ilign-refC(s)

uond-ref

ilign-mes

+ -

utrans-mes

+ +1/k

itrans-refilign-ref uond-ref

mo

MLI

ucond

/



34

ilign

réseautri

ligne+ filtre

onduleurtri condo

transfotri

SE OT

ures

mo=[mo1 mo2]t

itrans

SEeq.

sourceéquivalente

utrans

ilign uond ucond

iond ucond

ired

itrans-ref ilign-ref

MLI

uond-ref

SRTucond-ref

Qref

SRT = Stratégie de Réglage de la Tension



35

ures

ucond ihach

itrans-ref

SRTucond-ref

Qref

Itrans-refucond-ref

ihach

iond-ref

Itransucond

ihach

3VresItrans #ionducond

iond

Hypothèse : Q=0

Amplitude



36

machineasynchrone

redresseurtriphasé réducteur pales vent

R PRMAvvent

mr

Cma

Ωarb

SEeq. SM

arbreéquivalent

sourceéquivalente

ΩarbCred

Cpal

Fpal

Ωred

ima

emaima

ured

ired

ucond

ured-ref

MLI

ima-ref

SGP = Stratégie de Gestion de la Puissance

SGP Pref

Cma-ref Cred-ref

Φr-ref



37

Cred-ref

SGP Pref

Ωarb

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25 30 35Puissance (kW)

Vite

sse

des p

ales

(tr/

mn)

3 m/s4 m/s5 m/s6 m/s7 m/s8m/s9 m/s10 m/s11 m/s12 m/s13 m/sPref

Pref-max#Cred-refΩarb



38

Bilanpartie IV

La SMC propose une organisation de commande avec un grand nombre

d’opération et de capteurs

étape supplémentaire (pour la structure pratique de commande)Inconvénient

mise en évidence des boucles d’asservissement(localisation des correcteurs)

mise en évidence des perturbations (et de leur réjection)

mise en évidence des hypothèses de simplification (pour en déduire une structure réaliste de commande)

Avantages

IV. SMC bilan


39

VAL

V. Extension auxSystèmes multimachines

V.1. Caractérisation des SMM

V.2. Éléments de couplage

V.3. Inversion des couplages

V.4. Exemples

Prise en compte des couplages énergétiques ?


40 V. SMM V.1. caractérisation

pas de répartition d’énergieencombrement importantcontraintes sur composants (V, I…)problème de CEM induitepas de marche dégradée….

-

Systèmemonomachine

interactions,commande complexes

... -

entraînements distribués

de faible puissance+

un moteur


41

SMMSMM (GdR SDSE1, 1998) :système avec plusieurs machines et/ou convertisseurs

non réductible à des sous-systèmes indépendants

Nombreuses applications

Commande comme systèmesmonomachines

si interactions fortes

Résolution au cas par cas

V. SMM V.1. caractérisation

1 projet SMM du Groupe de Recherche du CNRS « Sécurité et Disponibilité des Systèmes Électriques »


42 V. SMM V.4. exemple

Traction du métro automatiqueVAL 206

1 rame = 2 voitures1 voiture = 2 boggies1 boggie = 1 MCC à excitation séparée

Étude version simplifiée : MCC à aimants permanents


43

iind

etot

L1+L2 élément équivalentd’accumulation de couplage

totind21Hi e idtd )L(L u ++=

SE

railhacheur

4Q

UDC

iHi iind

uHi

V. SMM V.4. exemple

mHi

Mise en REM

uHi

emcc2

L2

L1

emcc1iind

iind

MCC à induits en série

emcc1

+===

2111

mccmcctotind

e e ei i i

mise en série


44

SE

railhacheur

4Q

UDC

iHi iind

uHi

MCC à induits en série

iind

etot

Cmcc1

Ωbog1

rameboggies

Fbog1

vrame

V. SMM V.4. exemple

Ftotvrame

iind

emcc1

mHi

Mise en REM

environ.

SM

vrame

Fres

restotrame F - F vdtdM =



SMC (commande théorique)

rail

MCC à induits en série rame

boggies

environ.

etot Fres

SE

UDC

iHi iind

uHi iind

Cmcc1

Ωbog1

Fbog1

vrame

Ftotvrame

iind

emcc1SM

vrame

vrame-refFtot-ref

vrame-mes

kR

Fbog1-ref

Cmcc1-refkP

iind-ref1

iind-ref

mHi

hacheur 4Q

uHi-ref

correcteur de courant



SMC (commande théorique)

mHi

railhacheur

4Q

MCC à induits en série rame

boggies

environ.

etot Fres

SE

UDC

iHi iind

uHi iind

Cmcc1

Ωbog1

Fbog1

vrame

Ftotvrame

iind

emcc1SM

vrame

vrame-refFtot-ref

vrame-mes

kR

Fbog1-ref

Cmcc1-refkP

iind-ref1

iind-refuHi-ref

stratégie


47

iind-ref

V. SMM V.4. exemple

Structure pratique de commande

mHi

vrame-refFtot-ref

vrame-est

uHi-ref1/2

etot Fres

SE

UDC

iHi iind

uHi iind

Cmcc1

Ωbog1

Fbog1

vrame

Ftotvrame

iind

emcc1SM

vrame

Commande maître esclave avec équi-répartiton des forces2 correcteurs (vitesse, courant) , 3 capteurs (UDC, iind, Ωbog2) 1 estimation

simplifications limitations de prformances


48

Bilanpartie V

La caractérisation des SMM réside dans les éléments de couplage

Avantages et contraintes des chaînes de conversion couplées- répartition des contraintes

- augmentation de la fiabilité- interactions entre chaînes de conversion

Structuration générale de la commande - fonction locale par inversion

- définition des critères liés aux couplages

V. SMM bilan

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