Control of an active conversion chain and life cycle assessment for small wind turbines
Pilotage d'une chaîne de conversion active et analyse du cycle de vie pour le petit éolien
Résumé
This thesis focuses on the study of an active conversion chain for small wind turbines. In its initial configuration, the wind turbine under study is equipped with a permanent magnet synchronous generator connected to a battery through a diode rectifier. In this research work, we propose a modification of the system aimed at increasing its efficiency: replacing the diode rectifier with an active rectifier, while also considering the environmental and societal impacts of this modification.
In the first phase of the work, we developed a test bench to emulate the behavior of the wind turbine, enabling the evaluation of its performance under both stationary and dynamic conditions. We then modeled the generator-converter system with the aim of proposing a control law. To achieve this, we established and experimentally validated both a reluctance model and a finite element model of the generator.
Subsequently, we proposed a control strategy for the system with an active rectifier, which demonstrated significant performance gains compared to the conventional diode rectifier configuration. Notably, we showed that the strategy could operate without a mechanical position sensor by using an observer, while still being robust to model uncertainties.
From an environmental perspective, a Life Cycle Assessment (LCA) of the system showed that the most impactful components were the mast structure and the batteries. We proposed a unified framework to consider the techno-environmental optimization of the system. Finally, we studied the community of self-built small wind turbines in France to understand how the introduction of an active rectifier might affect the adoption and use of the wind turbine.
Cette thèse porte sur l’étude d’une chaîne de conversion active pour le petit éolien. Dans sa configuration initiale, l’éolienne étudiée est équipée d’une génératrice synchrone à aimants permanents raccordée à une batterie via un redresseur à diodes. Dans ce travail, nous proposons une modification du système visant à augmenter son efficacité : remplacer le redresseur à diodes par un redresseur actif, tout en questionnant les impacts environnementaux et sociétaux de cette modification.
Dans la première phase du travail, nous avons réalisé un banc d’essais permettant d’émuler le comportement de l’éolienne, afin d’évaluer sa performance en conditions stationnaires et dynamiques. Nous avons ensuite modélisé le système génératrice-convertisseur dans le but de proposer une loi de commande. Pour ce faire, nous avons établi puis validé expérimentalement un modèle réluctant et un modèle par éléments finis de la génératrice.
Nous avons ensuite proposé une loi de commande du système avec un redresseur actif qui a montré des gains de performance significatifs en comparaison avec la configuration classique de redresseur à diodes. Nous avons notamment montré que la stratégie pouvait se passer de capteur mécanique de position grâce à un observateur tout en étant robuste aux incertitudes du modèle.
Du point de vue environnemental, une Analyse du Cycle de Vie (ACV) du système a montré que les parties les plus impactantes étaient la structure du mât et les batteries. Nous avons proposé un cadre de pensée unifié pour considérer l’optimisation technico-environnementale du système. Enfin, nous avons étudié la communauté du petit éolien auto-construit en France pour comprendre quel effet pourrait avoir l'introduction d'un redresseur actif sur l'appropriation de l'éolienne.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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