FR2513033A1

FR2513033A1 - Connection arrangement for aero-generator and mains network - uses identical generators driven by wind turbine, and in synchronism with supply respectively to detect slip power

Info

Publication number: FR2513033A1
Application number: FR8117503A
Authority: FR
Inventors: Rene Seger
Original assignee: Aerowatt SA
Current assignee: Aerowatt SA
Priority date: 1981-09-16
Filing date: 1981-09-16
Publication date: 1983-03-18
Also published as: FR2513033B1

Abstract

The arrangement requires instantaneous measurement of a quantity representative of the slip of the generator within its operating region and comparison of the representative quantity to a pre-set reference value. The connection of the generator is initiated if the comparison leads to a favourable result. The slip representative quantity corresponds to the instantaneous differences of power exchanged between, on one hand, a generator, a coupled duplicate generator, and the network, and on the other hand, a generator identical to the duplicate generator, but driven in synchronism by an asynchronous motor, and the network. Multiplier circuits compute the slip power and actuate a control circuit which controls the connection to the network. The amount of slip lies in the range of 0 to 3%.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé de commande du couplage d'un générateur sur un réseau à courant alternatif ainsi qu'à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. The present invention relates to a method for controlling the coupling of a generator on an alternating current network as well as to a device for implementing this method.

Pour le couplage d'un générateur, il est nécessaire de disposer d'un coupleur qui élabore un ordre de couplage du générateur au réseau lorsque cer- taines conditions sont réunies. Ainsi, au cours de la mise en route du générateur, l'ordre de couplage est généralement élaboré pour une valeur prédéterminée du glissement et il peut être émis soit en temps réel, soit avec anticipation. Dans ce dernier cas, llantici pation peut etre constante ou fonction de la variation du glissement. For the coupling of a generator, it is necessary to have a coupler which elaborates an order of coupling of the generator to the network when certain conditions are met. Thus, during the generator start-up, the coupling order is generally prepared for a predetermined slip value and it can be sent either in real time or in anticipation. In the latter case, the location may be constant or a function of the variation in slip.

Pour remplir cette fonction, on a recourt actuellement à des coupleurs qui commandent le plus souvent des synchroniseurs agissant sur le couple moteur appliqué à l'arbre du générateur. De façon plus précise, le coupleur surveille les variations lentes de grandeurs telles que le glissement du générateur. To fulfill this function, we currently use couplers which most often control synchronizers acting on the motor torque applied to the generator shaft. More precisely, the coupler monitors slow variations in quantities such as the slip of the generator.

En fonction de ces variations, il élabore des ordres qui sont transmis au synchroniseur afin d'adapter le glissement du générateur à la valeur prédéterminée que l'on désire obtenir. Lorsque cette adaptation est obtenue, l'ordre de couplage est émis par le coupleur.According to these variations, it develops orders which are transmitted to the synchronizer in order to adapt the slip of the generator to the predetermined value which it is desired to obtain. When this adaptation is obtained, the coupling order is issued by the coupler.

En règle générale, le couple moteur appliqué à l'arbre du générateur est suffisamment mattrisable pour que l'ordre de couplage puisse etre élaboré à l'aide du dispositif qui vient d'être décrit. Toutefois, il existe des cas où le couple moteur, variable par nature, n'est pratiquement pas réglable et où à défaut de synchroniseur, la valeur du glissement doit être acquise instantanément si on désire réduire autant que possible les perturbations apportées au ré seau. Tel est notamment le cas pour les aérogénérateurs équipant les éoliennes, dans lesquels le couple moteur est déterminé par la vitesse du vent, variable par nature. Dans ce cas, les dispositifs de couplage de la technique antérieure ne peuvent donc pas etre utilisés et on a coutume de réaliser un couplage sans aucune précision, ce qui entraîne des perturbations si le réseau est peu puissant. As a general rule, the engine torque applied to the generator shaft is sufficiently controllable so that the coupling order can be worked out using the device which has just been described. However, there are cases where the motor torque, variable by nature, is practically not adjustable and where, in the absence of a synchronizer, the slip value must be acquired instantly if one wishes to reduce as much as possible the disturbances brought to the network. This is particularly the case for wind turbines fitted to wind turbines, in which the engine torque is determined by the wind speed, which is variable by nature. In this case, the coupling devices of the prior art cannot therefore be used and it is customary to carry out a coupling without any precision, which causes disturbances if the network is not very powerful.

La présente invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif pour la commande du couplage d'un générateur sur un réseau à courant alternatif qui soit applicable à tous les cas, y compris à ceux où le couple moteur n'est pratiquement pas réglable. En particulier, l'invention a pour objet la réalisation d'un couplage précis au niveau de la vitesse afin d'éliminer les perturbations en puissance, notamment dans le cas d'un réseau peu puissant et d'un générateur asynchrone. En complétant ce procédé par une détection'de l'écart de phase, on peut ainsi réaliser un couplage n'apportant aucune perturbation, que le générateur soit synchrone ou asynchrone autoexcité. The present invention specifically relates to a method and a device for controlling the coupling of a generator on an alternating current network which is applicable to all cases, including those where the engine torque is practically not adjustable. In particular, the subject of the invention is the production of a precise coupling at the speed level in order to eliminate power disturbances, in particular in the case of a weak network and of an asynchronous generator. By supplementing this process with a detection of the phase difference, it is thus possible to carry out a coupling bringing no disturbance, whether the generator is synchronous or asynchronous self-excited.

Dans ce but et conformément à l'invention, il est proposé un procédé de commande du couplage d'un générateur sur un réseau à courant alternatif, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer la mesure instantanée d'une grandeur représentative du glissement du générateur dans sa zone d'utilisation, à comparer cette grandeur à au moins une valeur de consigne préétablie, et à commander le couplage du générateur en fonction du résultat de cette comparaison. For this purpose and in accordance with the invention, a method is provided for controlling the coupling of a generator on an alternating current network, characterized in that it consists in carrying out the instantaneous measurement of a quantity representative of the slip of the generator in its area of use, to compare this quantity with at least a preset preset value, and to control the coupling of the generator according to the result of this comparison.

Conformément à ce procédé, on effectue donc la mesure instantanée indirecte du glissement du générateur, ce qui permet de commander de façon précise le couplage de ce dernier sur le réseau, même lorsqu'il n'est pas possible de régler le couple moteur. In accordance with this method, the instantaneous indirect measurement of the generator slip is therefore carried out, which makes it possible to precisely control the coupling of the latter on the network, even when it is not possible to adjust the engine torque.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la grandeur représentative du glissement correspond à la différence instantanée des puissances échangées entre, d'une part, un générateur image du générateur à contrôler et le réseau, et, d'autre part, un générateur identique au générateur image mais entraîné en synchronisme par un moteur auto-synchrone et le réseau. In a preferred embodiment of the invention, the magnitude representative of the slip corresponds to the instantaneous difference of the powers exchanged between, on the one hand, an image generator of the generator to be controlled and the network, and, on the other hand, a generator identical to the image generator but driven in synchronism by a self-synchronous motor and the network.

La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. The present invention also relates to a device for implementing this method.

On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente de façon schématique un dis
positif réalisé conformément à l'invention ; et, - la figure 2 représente, en (a), la courbe de varia
tion de la puissance P échangée entre l'image du
générateur à contrôler et le réseau, exprimée en
watt, en fonction de son glissement , exprimé en %,
et, en (b), la courbe de variation de la puissance
échangée entre un générateur synchronisé de référen
ce faisant partie du dispositif représenté sur la
figure 1 et le réseau, exprimée en watt, en fonction
du même glissement g.We will now describe, by way of nonlimiting example, a particular embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings, in which - Figure 1 schematically shows a dis
positive made in accordance with the invention; and, - Figure 2 shows, in (a), the varia curve
tion of the power P exchanged between the image of the
generator to control and the network, expressed in
watt, depending on its slip, expressed in%,
and, in (b), the power variation curve
exchanged between a synchronized reference generator
being part of the device shown on the
Figure 1 and the network, expressed in watt, as a function
of the same slip g.

On a représenté en G sur la figure 1 un générateur principal dont l'arbre est entraîné en rotation par les pales 10 d'une éolienne. Un générateur
GI, image de G est monté sur le même arbre que le générateur G. Ce générateur G est constitué dans ce cas par une génératrice asynchrone triphasée pouvant être couplée aux trois phases pl, P2 et p3 d'un réseau à courant alternatif triphasé par des moyens représentés schématiquement en 12. Conformément à l'invention, les moyens de couplage 12 sont commandés par un cir cuit 14 qui reçoit un signal P élaboré par des moyens qui vont maintenant être décrits.A main generator is shown at G in FIG. 1, the shaft of which is driven in rotation by the blades 10 of a wind turbine. A generator
GI, image of G is mounted on the same shaft as the generator G. This generator G is constituted in this case by a three-phase asynchronous generator which can be coupled to the three phases pl, P2 and p3 of a three-phase alternating current network by means represented schematically at 12. In accordance with the invention, the coupling means 12 are controlled by a cooked circuit 14 which receives a signal P produced by means which will now be described.

Afin de disposer d'un fonctionnement de référence, on voit sur la figure 1 qu'on utilise une seconde machine asynchrone triphasée MI rigoureusement identique au générateur GI. Cette machine MI est entraînée en synchronisme par un moteur autosynchrone
MS alimenté directement par le réseau triphasé.In order to have a reference operation, it can be seen in FIG. 1 that a second three-phase asynchronous machine MI is used which is strictly identical to the generator GI. This MI machine is synchronously driven by a self-synchronous motor
MS powered directly by the three-phase network.

Le générateur GI et la machine MI sont couplés au réseau à travers une inductance triphasée commune L dont le rôle principal est de réduire les puissances apparentes absorbées par les machines lors de fonctionnements à glissements importants. De façon connue, une capacité triphasée C1 et une capacité triphasée C2 sont également prévues entre, d'une part, le générateur GI et le réseau et, d'autre part, la machine MI et le réseau. The generator GI and the machine MI are coupled to the network through a common three-phase inductor L whose main role is to reduce the apparent powers absorbed by the machines during high slip operations. In known manner, a three-phase capacity C1 and a three-phase capacity C2 are also provided between, on the one hand, the generator GI and the network and, on the other hand, the machine MI and the network.

Afin d'élaborer le signal P, il est-nécessaire, pour chacune des phases P1, P2 et p3, de déterminer la différence instantanée des puissance-s échangées entre chacune des machines GI et MI et le réseau. In order to develop the signal P, it is necessary, for each of the phases P1, P2 and p3, to determine the instantaneous difference of the power-s exchanged between each of the machines GI and MI and the network.

A cet effet, pour la phase P1, le primaire d'un transformateur TI1 est alimenté par le signal correspondant sortant du générateur GI. De même, le primaire d'un transformateur TI2 est alimenté par le signal correspondant sortant du moteur MI. Enfin, le primaire d'un transformateur TP est branché entre le neutre N et le signal correspondant à la phase p1 à la sortie du moteur MI. Les secondaires des transformateurs TI2 et TI1 sont branchés en opposition entre la masse et une première borne d'un multiplicateur M1. To this end, for phase P1, the primary of a transformer TI1 is supplied by the corresponding signal leaving the generator GI. Likewise, the primary of a transformer TI2 is supplied by the corresponding signal leaving the motor MI. Finally, the primary of a TP transformer is connected between neutral N and the signal corresponding to phase p1 at the output of the motor MI. The secondary transformers TI2 and TI1 are connected in opposition between the ground and a first terminal of a multiplier M1.

D'autre part, le secondaire du transformateur TP est branché entre la masse et la seconde borne d'entrée du multiplicateur M1. Le signal délivré par le multiplicateur M1 est donc représentatif de la différence ins tantanée des puissances échangées entre, d'une part, le générateur GI et le réseau et, d'autre part, le moteur MI et le réseau, pour la phase p1 de ce dernier.On the other hand, the secondary of the transformer TP is connected between ground and the second input terminal of the multiplier M1. The signal delivered by the multiplier M1 is therefore representative of the instantaneous difference of the powers exchanged between, on the one hand, the generator GI and the network and, on the other hand, the motor MI and the network, for the phase p1 of this last.

Des circuits du même type mais non représentés sur la figure 1 permettent à l'aide de deux multiplicateurs M2 et M3 de calculer la différence instantanée correspondante pour les phases p2 et p3 du réseau. Comme l'illustre la figure 1, les trois sorties des multiplicateurs M1, M2 et M3 sont reliées entre elles et délivrent le signal il qui alimente le cjr- cuit de commande 14 du coupleur 12. Circuits of the same type but not shown in FIG. 1 make it possible, using two multipliers M2 and M3, to calculate the corresponding instantaneous difference for the phases p2 and p3 of the network. As illustrated in FIG. 1, the three outputs of the multipliers M1, M2 and M3 are connected together and deliver the signal il which supplies the control circuit 14 of the coupler 12.

La valeur du signal P est représentée sur la figure 2 par l'écart qui sépare la courbe (a) de la courbe (b) pour une valeur donnée du glissement g du générateur GI. En effet, la courbe (a) représente les variations de la puissance P échangée entre le générateur GI et le réseau, en fonction du glissement g du générateur GI, et la courbe (b) représente les variations de la puissance P échangée entre le moteur MI et le réseau, en fonction du glissement g du générateur
GI.The value of the signal P is represented in FIG. 2 by the difference which separates the curve (a) from the curve (b) for a given value of the slip g of the generator GI. Indeed, the curve (a) represents the variations of the power P exchanged between the generator GI and the network, as a function of the slip g of the generator GI, and the curve (b) represents the variations of the power P exchanged between the engine MI and the network, depending on the slip g of the generator
GI.

On voit que, dans la zone de fonctionnement ou d'utilisation du générateur pour laquelle le glissement g est généralement compris entre 0 et 3%, l'écart entre les deux courbes est représentatif de la valeur du glissement qui lui correspond. It can be seen that, in the operating or use area of the generator for which the slip g is generally between 0 and 3%, the difference between the two curves is representative of the value of the slip which corresponds to it.

En d'autres termes, l'installation qui vient d'être décrite permet d'effectuer la mesure instantanée d'une grandeur tP représentative du glissement du générateur G à contrôler. L'entrée du signal è représentatif de cette grandeur dans le circuit de contrôle 14 permet donc, en comparant ce signal à des valeurs de consigne préétablies, de déclencher les actions souhaitées. En particulier, la valeur du signal permet de déterminer l'instant précis du couplage du générateur G au réseau, même lorsque le couple moteur appliqué à ce générateur est variable par nature et pratiquement pas réglable comme c'est le cas dans le mode de réalisation représenté. In other words, the installation which has just been described makes it possible to carry out the instantaneous measurement of a quantity tP representative of the slip of the generator G to be checked. The input of the signal è representative of this quantity in the control circuit 14 therefore makes it possible, by comparing this signal to preset preset values, to trigger the desired actions. In particular, the value of the signal makes it possible to determine the precise instant of coupling of generator G to the network, even when the engine torque applied to this generator is variable in nature and practically not adjustable as is the case in the embodiment. represented.

Les possibilités offertes par le dispositif décrit sont alors les mêmes que celles offertes par les coupleurs habituels dans les conditions dans lesquelles ces derniers peuvent être utilisés En particulier, l'instant précis du couplage peut etre déterminé pour une valeur donnée du glissement, et au besoin, avec anticipation, celle-ci pouvant être constante ou fonction de la variation de glissement mesurée. Le dispositif décrit peut également être associé à un détecteur d'écart de phases lorsque cela est nécessa ire (générateurs synchrones ou asynchrones autoexcités). The possibilities offered by the device described are then the same as those offered by the usual couplers under the conditions in which the latter can be used. In particular, the precise instant of coupling can be determined for a given value of the slip, and if necessary. , with anticipation, this can be constant or a function of the measured slip variation. The device described can also be associated with a phase difference detector when this is necessary (self-excited synchronous or asynchronous generators).

Le dispositif selon l'invention permet en outre, grâce à sa grande precision de découpler le générateur a commander du réseau en cas d'incompatibilité entre le fonctionnement recherché et le glissement mesure' (retour de puissance lorsque le générateur est du type asynchrone, ou désynchronisation lorsque le générateur est du type synchrone). The device according to the invention also makes it possible, thanks to its high precision, to decouple the generator to be controlled from the network in the event of incompatibility between the desired operation and the measured slip (power return when the generator is of the asynchronous type, or desynchronization when the generator is of the synchronous type).

Enfin, on remarquera que le dispositif qui vient d'être décrit est d'autant moins sensible au déséquilibre du réseau que l'on se rapproche du synchronisme, puisque les machines fonctionnent alors dans des conditions identiques et que les puissances fluctuantes sont alors égales et en phase. De plus, la sensibilité du dispositif et, en conséquence, la pré- cision de la commande sont très bonnes. Ainsi, on peut atteindre aisément la relation suivante
tP = 40 g, où
P - P représente la différence instantanée des puissan
ces échangées entre chaque machine et le réseau, - P représente la puissance maximale instantanée du
générateur GI, et - g représente le glissement de ce générateur.Finally, it will be noted that the device which has just been described is all the less sensitive to the imbalance of the network as one approaches synchronism, since the machines then operate under identical conditions and that the fluctuating powers are then equal and phase. In addition, the sensitivity of the device and, consequently, the precision of the control are very good. So, we can easily reach the following relation
tP = 40 g, where
P - P represents the instantaneous difference in powers
these exchanged between each machine and the network, - P represents the maximum instantaneous power of the
generator GI, and - g represents the slip of this generator.

Ainsi, pour g = 10 3, on obtient zip = 4%.
So, for g = 10 3, we get zip = 4%.

P
Bien entendu, le dispositif qui vient d'être décrit peut être utilisé dans des conditions très différentes de celles qui viennent d'être exposées.P
Of course, the device which has just been described can be used under conditions very different from those which have just been exposed.

Ainsi, le générateur peut être synchrone ou asynchrone et il peut être entraîné en rotation par tout autre moyen que les pales d'une éolienne, ce moyen pouvant rendre maîtrisable ou non, selon le cas, le couple moteur appliqué à l'arbre du générateur. Thus, the generator can be synchronous or asynchronous and it can be driven in rotation by any other means than the blades of a wind turbine, this means can make it controllable or not, depending on the case, the engine torque applied to the generator shaft .

Claims

1. Method for controlling the coupling of a generator (G) on an alternating current network, characterized in that it consists in carrying out the instantaneous measurement of a quantity (+ P) representative of the slip (g) of this generator in its area of use, to compare this quantity (P) with at least one preset preset value, and to control the coupling (12) of the generator according to the result of this comparison.

2. Method according to claim 1, characterized in that said quantity (P) corresponds to the instantaneous difference of the powers exchanged between, on the one hand, a generator (GI), image of the generator to be checked and the network and, on the other hand, a generator (Ml) identical to the image generator but driven in synchronism by an autosynchronous motor (MS) and the network.

3. Device for controlling the coupling of a generator (G) on an alternating current network, characterized in that it comprises means (TI1, TI2, TP, M1, M2, M3) for carrying out the instantaneous measurement d '' a quantity (P) representative of the slip (g) of this generator in its area of use, means (14) for comparing this quantity with at least a preset preset value and means (14) for controlling the coupling ( 12) of the generator as a function of the result of this comparison.

4. Device according to claim 3, characterized in that the means for carrying out said instantaneous measurement comprise means (TI1, TI2,

TP, M1, M2, M3) to develop a signal (P) representing the instantaneous difference of the powers exchanged between, on the one hand, a generator (GI), image of the generator (G) to control and the network and, d on the other hand, a generator (MI) identical to the image generator but driven in synchronism by an autosynphone motor (MS) and the network.