FR3090240A1 - Procédé de régulation d’un système de génération d’énergie électrique pour un réseau de distribution électrique d’un aéronef - Google Patents

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Abstract

Un procédé de régulation d’un système de génération d’énergie électrique pour un réseau de distribution électrique d’un aéronef comprenant un onduleur (13) et un point de régulation :- une première étape de régulation (E1) des tensions de sortie Va, Vb, Vc mesurées au point de régulation, comprenant une sous-étape de décomposition de chaque tension de sortie Va, Vb, Vc en une composante directe, une composante inverse et une composante homopolaire,- une deuxième étape de régulation (E2) dans laquelle des intensités de correction Iac, Ibc, Icc sont comparées à des intensités mesurées Ia, Ib, Ic en sortie de l’onduleur (13) de manière à déterminer une pluralité de grandeurs de correction GC1, GC2, GC3 et- une étape de détermination (E3) d’un signal de régulation SO de l’onduleur (13) à partir des grandeurs de correction déterminées GC1, GC2, GC3. Figure de l’abrégé : Figure 7

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de régulation d’un système de génération d’énergie électrique pour un réseau de distribution électrique d’un aéronef
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne le domaine de l’alimentation électrique d’un aéronef et, plus particulièrement, un système de génération électrique à partir d’un couple mécanique reçu par une turbomachine de l’aéronef.
[0002] De manière traditionnelle, une turbomachine d’aéronef comporte une boite à accessoires, connue de l’homme du métier sous son acronyme anglais AGB pour « Auxiliary Gear Box », qui permet de prélever de la puissance mécanique sur un arbre de la turbomachine pour la convertir en énergie électrique afin d’alimenter un réseau de distribution électrique de l’aéronef.
[0003] En référence à la figure 1, il est représenté un système de génération d’énergie électrique 100 pour un réseau de distribution RD d’un aéronef par exemple 115V ou 230V. Le système de génération d’énergie électrique 100 comprend une génératrice 111 configurée pour recevoir un couple mécanique de la turbomachine T et fournir une tension électrique dont la fréquence est fonction de la vitesse de rotation. Afin de fournir au réseau de distribution une tension alternative d’amplitude et de fréquence constante malgré une vitesse de rotation variable, il est connu d’utiliser un système de génération d’énergie électrique 100 connu sous son acronyme anglais VSCF pour « Variable Speed Constant Frequency ». Un tel système de génération d’énergie électrique permet de fournir une amplitude et une fréquence de sortie constante malgré une entrée variable (vitesse de rotation de la turbomachine T).
[0004] En pratique, toujours en référence à la figure 1, le système de génération d’énergie électrique 100 comprend :
[0005] une génératrice synchrone 111 à excitation commandée adaptée pour recevoir un couple mécanique d’une turbomachine T de l’aéronef et adaptée pour générer une tension électrique, • un onduleur 113 produisant une tension triphasée à fréquence fixe, • un bus de tension 112 reliant la génératrice 111 à l’onduleur 113 • un filtre LC 114 placé en sortie de l’onduleur 113 et
[0006] un point de régulation 115, connu de l’homme du métier sous la désignation anglaise « Point Of Regulation », qui est placé en sortie du filtre LC 114.
[0007] Dans cet exemple, en référence à la figure 1, il est représenté un bus de tension continue 112 mais il va de soi qu’un bus de tension triphasé couplé avec un redresseur du type pont de diodes pourrait convenir.
[0008] Afin de fournir une tension de sortie de fréquence constante et d’amplitude constante au point de régulation 115, le système de génération d’énergie électrique 1 comporte de manière connue une unité électronique 116 configurée pour mesurer la valeur des tensions de sortie au point de régulation 115 et les comparer aux tensions de référence prédéterminées qui sont attendues par le point de régulation 115. En pratique, les mesures sont réalisées au point de régulation 115 de manière à compenser les chutes de tension introduites par le filtrage ou le câblage. D’autre part, l’unité électronique 116 est configurée pour mesurer la valeur des intensités du filtre 114 et les comparer à des intensités de référence prédéterminées afin de limiter les courants de court-circuit de charge.
[0009] En cas d’écart, l’unité électronique 116 modifie le signal de régulation de l’onduleur 113 afin que celui-ci adapte la régulation de la tension triphasée à fréquence fixe. Suite à la réception du signal de régulation, les tensions de sortie sont proches des tensions de référence du point de régulation 115. Autrement dit, l’unité électronique 113 permet de réguler les tensions de sortie au point de régulation 115 en contrôlant le paramétrage de l’onduleur 113 (fréquence de commutation, temps de conduction des interrupteurs ou des semiconducteurs, etc.).
[0010] En pratique, des perturbations peuvent survenir lorsque la charge au point de régulation 115 est non linéaire ou non équilibrée. En particulier, il est complexe d’obtenir une réponse dynamique rapide tout en limitant les distorsions. Afin d’éliminer cet inconvénient, il a été proposé par le brevet US9048726B1 une unité électronique de régulation configurée pour définir un système direct, un système inversé et un système homopolaire et de les traiter dans un référentiel D-Q. Chaque système comporte des contrôleurs spécifiques, ce qui induit des écarts de traitement et donc de régulation entre les différents systèmes. En outre, la stabilité à vide et la gestion des courts-circuits ne sont pas optimales.
[0011] L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau procédé de régulation d’un système de génération d’énergie électrique afin d’améliorer la rapidité et limiter les distorsions, en particulier, lorsque la charge au point de régulation est non linéaire ou non équilibrée. Un autre but est de permettre de mieux réguler les courants.
Exposé de l’invention
[0012] A cet effet, l’invention concerne un procédé de régulation d’un système de génération d’énergie électrique pour un réseau de distribution électrique d’un aéronef, le système de génération d’énergie électrique comprenant :
• au moins un onduleur produisant une tension selon plusieurs phases à fréquence fixe, • au moins un filtre LC placé en sortie de l’onduleur et • un point de régulation placé en sortie du filtre LC afin de fournir une tension constante en fréquence et en amplitude au réseau de distribution, • le procédé de régulation comprenant :
• une première étape de régulation des tensions de sortie Va, Vb, Vc mesurées au point de régulation, comprenant • une sous-étape de décomposition de chaque tension de sortie Va, Vb, Vc en une composante directe Vap, Vbp, Vcp, une composante inverse Van, Vbn, Ven et une composante homopolaire Vah, Vbh, Vch, • une sous-étape de traitement respectif des composantes directes Vap, Vbp, Vcp, des composantes inverses Van, Vbn, Ven et des composantes homopolaires Vah, Vbh, Vch par un système direct, un système inverse et un système homopolaire, chaque système comportant un premier sous-système et un deuxième sous-système, • une sous-étape de conversion des composantes d’un système donné en une tension convertie de type « d » et une tension convertie de type « q » définies dans un référentiel « D-Q », • une sous-étape de comparaison de la tension convertie de type « d » par le premier sous-système à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous-grandeur correction de type « d » GCd, • une sous-étape de comparaison de la tension convertie de type « q » par le deuxième sous-système à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous-grandeur correction de type « q » GCq, • une sous-étape de détermination d’intensités de correction lac, Ibc, Icc à partir des sous-grandeurs de correction de type « d » GCd de chaque sous-système de type « d » et des sous-grandeurs de correction de type « q » GCq de chaque sous-système de type « q », • une deuxième étape de régulation dans laquelle les intensités de correction lac, Ibc, Icc sont comparées à des intensités mesurées la, Ib, le en sortie de l’onduleur de manière à déterminer une pluralité de grandeurs de correction GC1, GC2, GC3 et • une étape de détermination d’un signal de régulation So de l’onduleur à partir des grandeurs de correction déterminées GC1, GC2, GC3. [0013] Grâce à l’invention, il est mis en œuvre une première régulation de tension et une deuxième régulation de courant en cascade. Cela permet de manière avantageuse d’éviter tout défaut de stabilité à vide et de gérer les courts-circuits de charge de manière optimale. La première régulation de tension est réalisée à partir de tensions mesurées qui sont décomposées, converties puis traitées de manière analogue selon différents sous-systèmes. Cela est avantageux par comparaison de l’art antérieur qui propose une régulation à partir de données calculées et non mesurées. Les performances dynamiques sont alors améliorées.
[0014] De manière préférée, la deuxième étape de régulation des intensités est réalisée à une fréquence au moins deux fois plus rapide, de préférence, au moins cinq fois plus rapide que la première étape de régulation des tensions. Cela permet avantageusement de réaliser les deux étapes de régulation en cascade. En boucle fermée, la première boucle de régulation de tension et la deuxième boucle de régulation d’intensité comportent des pôles rapides et des pôles lents qui sont dissociés, ce qui améliore la stabilité et permet de dissocier les modes de courant et les modes de tension.
[0015] De manière préférée, la première étape de régulation comporte une sous-étape de correction, en particulier, au moyen d’au moins un opérateur proportionnel intégral, de manière à déterminer les sous-grandeurs de correction de type « d » GCd et les sousgrandeurs de correction de type « q » GCq. Une sous-étape de correction permet avantageusement d’obtenir une erreur statistique nulle (la sortie étant égale à la référence d’entrée) et une maîtrise des stabilités en boucle fermée. De manière avantageuse, l’utilisation d’opérateurs proportionnel intégral sur les sous-systèmes direct, indirect et homopolaire permet de placer judicieusement les pôles des trois boucles éloignés les uns des autres de telle sorte qu’aucune des boucles ne déstabilise les autres. Ces opérateurs participent aussi au découplage des régulations de tension/courant.
[0016] De préférence, la première étape de régulation comporte une sous-étape de saturation de manière à déterminer les sous-grandeurs de correction de type « d » GCd et les sous-grandeurs de correction de type « q » GCq. L’étape de saturation permet une première saturation afin de limiter le courant de sortie à une valeur voulue, en cas de court-circuit d’une phase au neutre, de deux phases au neutre ou de deux phases entre elles. L’étape de saturation permet une deuxième saturation sur les six courants de référence de manière à limiter le courant en cas de court-circuit triphasé de charge et limiter les courants traversant le filtre LC. Le principe de la saturation consiste à une limitation de l’intégration à la valeur précédente à une valeur de courant prédéterminée
[0017] Selon un aspect préféré, chaque sous-système met en œuvre des sous-étapes analogues. Cela permet avantageusement de limiter les écarts de traitement entre les différentes composantes de la tension et d’obtenir une régulation plus pertinente.
[0018] De manière préférée, les tensions de sortie Va, Vb, Vc du point de régulation sont utilisées comme composantes directes Vap, Vbp, Vcp du système direct. Cela permet avantageusement d’améliorer la régulation du système réelle et non une image du système, par exemple, obtenue par calcul. Le système est ainsi plus stable et possède des dynamiques plus importantes.
[0019] De manière préférée, les composantes du système homopolaire sont converties dans le référentiel D-Q par réalisation d’un déphasage de 120°. Les composantes homopolaires se présentent sous la forme de trois vecteurs de même sens et non déphasés. Pour passer dans le référentiel D-Q, il est avantageusement prévu de déphaser les vecteurs de 120° de manière à créer un réseau triphasé. Le passage dans le référentiel D-Q a plusieurs avantages notamment, une simplification des grandeurs à réguler, une réduction de l’impact de la fréquence du réseau sur les bandes passantes du correcteur.
[0020] Selon un aspect de l’invention, la deuxième étape de régulation comporte une sousétape de correction, en particulier, au moyen d’au moins un opérateur proportionnel intégral, de manière à déterminer chaque grandeur de correction GC1, GC2, GC3.
[0021] De préférence, la deuxième étape de régulation comporte une sous-étape de saturation de manière à limiter chaque grandeur de correction GC1, GC2, GC3. Cela permet avantageusement de limiter la valeur de la tension de sortie et de protéger l’onduleur. Cela permet en outre de prendre en compte dans les algorithmes de calcul les temps morts imposés par les composants de puissance, notamment, pour les commutations.
[0022] De manière préférée, le procédé comporte une étape de compensation en tension de la composante continue dans laquelle des intensités de compensation sont déterminées à partir des composantes continues des tensions de sortie et ajoutées aux intensités de correction. Ainsi, la compensation de la composante continue est directement prise en compte dans la deuxième boucle de régulation de courant.
[0023] De préférence, l’intensité de compensation d’une composante est obtenue à partir de la comparaison de la composante continue moyenne à une tension continue de référence. Tout composante résiduelle est ainsi éliminée, ce qui permet de proposer une régulation optimale dépourvue de composante continue.
[0024] L’invention concerne également un système de génération d’énergie électrique pour un réseau de distribution électrique d’un aéronef, le système de génération d’énergie électrique comprenant :
• au moins un onduleur produisant une tension selon plusieurs phases à fréquence fixe, • au moins un filtre LC placé en sortie de l’onduleur, • un point de régulation placé en sortie du filtre LC afin de fournir une tension constante en fréquence et en amplitude au réseau de distribution et • une unité électronique de régulation, reliant le point de régulation à l’onduleur, l’unité électronique de régulation comprenant :
un premier module de régulation des tensions de sortie Va, Vb, Vc mesurées au point de régulation, le premier module de régulation étant configuré pour : • décomposer chaque tension de sortie Va, Vb, Vc en une composante directe Vap, Vbp, Vcp, une composante inverse Van, Vbn, Ven et une composante homopolaire Vah, Vbh, Vch, • traiter respectivement les composantes directes Vap, Vbp, Vcp, les composantes inverses Van, Vbn, Ven et les composantes homopolaires Vah, Vbh, Vch par un système direct, un système inverse et un système homopolaire, chaque système comportant un premier sous-système et un deuxième sous-système, • convertir des composantes d’un système donné en une tension convertie de type « d » et une tension convertie de type « q » définies dans un référentiel « D-Q », • comparer la tension convertie de type « d » par le premier soussystème à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous-grandeur correction de type « d » GCd, • comparer la tension convertie de type « q » par le deuxième soussystème à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous-grandeur correction de type « q » GCq, • déterminer des d’intensités de correction lac, Ibc, Icc à partir des sous-grandeurs de correction de type « d » GCd de chaque soussystème de type « d » et des sous-grandeurs de correction de type « q » GCq de chaque sous-système de type « q », un deuxième module de régulation configuré pour comparer les intensités de correction lac, Ibc, Icc à des intensités mesurées la, Ib, le en sortie de l’onduleur de manière à déterminer une pluralité de grandeurs de correction GC1, GC2, GC3 et • un module de détermination d’un signal de régulation So de l’onduleur à partir des grandeurs de correction déterminées GC1, GC2, GC3.
Brève description des dessins
[0025] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :
[0026] [fig.l] est une représentation schématique d’un système de génération d’énergie électrique selon l’art antérieur pour alimenter un réseau de distribution électrique d’un aéronef,
[0027] [fig.2] est une représentation schématique d’un système de génération d’énergie électrique selon l’invention pour alimenter un réseau de distribution électrique d’un aéronef,
[0028] [fig.3] est une autre représentation schématique d’un système de génération d’énergie électrique selon une forme de réalisation de l’invention,
[0029] [fig.4]
[0030] [fig.5]
[0031] [fig.6] sont d’autres formes de réalisation d’un système de génération d’énergie électrique selon l’invention,
[0032] [fig.7] est une représentation schématique des étapes d’un exemple de mise en œuvre d’un procédé de régulation selon l’invention,
[0033] [fig.8] est une représentation schématique simplifiée d’une unité électronique de régulation du système de génération selon l’invention,
[0034] [fig.9] est une représentation schématique détaillée d’une partie d’un premier module de régulation de l’unité électronique de régulation de la figure 8,
[0035] [fig.10] est une représentation schématique détaillée d’une unité de correction du premier module de régulation de la figure 9,
[0036] [fig.ll] est une représentation schématique détaillée d’un deuxième module de régulation de l’unité électronique de régulation de la figure 8,
[0037] [fïg.12] est une représentation schématique simplifiée d’une unité électronique de régulation avec un module de compensation,
[0038] [fig.13] est une représentation schématique des sous-modules du module de compensation, [fig-14] est une représentation schématique d’un sous-module de correction du module de compensation de la figure 13.
[0039] Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
Description des modes de réalisation
[0040] Il va dorénavant être présenté un système de génération d’énergie électrique 1 pour un réseau de distribution électrique RD d’un aéronef, par exemple 115V ou 230V, ainsi qu’un procédé de régulation dudit système de génération d’énergie électrique 1. Dans cet exemple, l’aéronef comporte une ou plusieurs turbomachines (non représentées) participant à la propulsion de l’aéronef.
[0041] En référence à la figure 2, le système de génération d’énergie électrique 1 comporte:
• un onduleur 13 produisant une tension triphasée à fréquence fixe • un filtre LC 14 placé en sortie de l’onduleur 113 • un point de régulation 15, connu de l’homme du métier sous la désignation anglaise « Point Of Regulation », placé en sortie du filtre LC 14 afin de fournir une tension constante en fréquence et en amplitude au réseau de distribution RD.
[0042] Le point de régulation 15 permet de servir de référence à la régulation du réseau de distribution électrique RD.
[0043] L’onduleur 13 permet de convertir une tension continue en une tension alternative triphasée. Autrement dit, l’onduleur 13 comporte trois branches de sortie fournissant chacune une tension alternative en fonction de la tension continue en entrée. Il va de soi que l’invention s’applique également pour une tension répartie sur plus de trois phases. L’onduleur 13 est adapté pour recevoir en entrée un signal de régulation So afin d’adapter la tension électrique triphasée de sortie. De manière connue, un tel signal de régulation So permet de modifier les paramètres de conversion de la tension continue en tension alternative. A titre d’exemple, lorsque l’onduleur 13 comporte une pluralité de transistors, le signal de commande So permet de modifier les rapports cycliques de commutation des transistors (fréquence, etc.) afin de régler notamment l’amplitude, la fréquence ou la phase des tensions de sortie. La structure d’un onduleur 13 est connue de l’homme du métier et ne sera pas détaillée par la suite.
[0044] De manière préférée, le signal de commande So se présente sous la forme d’un signal à modulation de largeur d’impulsions, plus connu sous son abréviation anglaise « PWM » pour « Pulse Width Modulation ». En fonction des impulsions reçues, le comportement de l’onduleur 13 peut être avantageusement modifié.
[0045] En référence à la figure 2, le système de génération d’énergie électrique 1 comporte une unité électronique de régulation 2, reliant le point de régulation 15 à l’onduleur 13, afin de permettre de réguler l’onduleur 13 en fonction de la charge, des tensions mesurées et des intensités mesurées.
[0046] L’invention va être présentée pour un système de génération d’énergie comprenant un onduleur triphasé 13 avec un point milieu capacitif comme illustré à la figure 3.
Néanmoins, l’invention s’applique à différents types de systèmes de génération d’énergie électrique 1, en particulier, un onduleur triphasé 13 avec un point milieu neutre actif (Figure 4), un ensemble d’onduleurs triphasés entrelacés 13, 13’ avec un point milieu capacitif (Figure 5) ou un ensemble d’onduleurs triphasés entrelacés 13, 13’ avec un point milieu neutre actif (Figure 6).
[0047] Dans cet exemple, en référence à la figure 3, l’onduleur 13 comporte trois phases. Les intensités la, Ib, le, qui circulent dans l’inductance du filtre LC 14, sont mesurées ainsi que les tensions simples Va, Vb, Vc au point de régulation 15.
[0048] Comme illustré à la figure 8, l’unité électronique de régulation 2 comprend :
• un premier module de régulation 20 des tensions de sortie Va, Vb, Vc, • un deuxième module de régulation 30 des intensités de sortie la, Ib, le et • un module de détermination 40 d’un signal de régulation So de l’onduleur 13. [0049] Afin de pouvoir réaliser une régulation performante, le système de génération d’énergie électrique 1 est vu comme un système symétrique dans lequel les tensions simples Va, Vb, Vc sont chacune décomposées dans une base mathématique définissant une composante directe Vap, Vbp, Vcp, une composante inverse Van, Vbn, Ven et une composante homopolaire Vah, Vbh, Vch. Dans le cas présent, le premier module de régulation de tension 20 est configuré pour décomposer chaque tension de sortie Va, Vb, Vc en une composante directe Vap, Vbp, Vcp, une composante inverse Van, Vbn, Ven et une composante homopolaire Vah, Vbh, Vch,
[0050] De manière connue, la décomposition est réalisée en utilisant le théorème de Fortescue selon lequel :
[Math.l]
Vp = 3 a +aVb + a2Vc)
[0051] [Math.2] = + a^h + a2V c )
[0052] [Math.3]
Figure FR3090240A1_D0001
[0053] et dans lequel
[0054] [Math.4] j 2 π a = e 3
[0055] afin de correspondre à une rotation de 120°.
[0056] De manière réciproque, on obtient :
[0057]
[Math.5]
Va= Vp + Vn + V, [0058] [Math.6]
Vzfc = a2Vp + + Vh
[0059] [Math.7]
Vc = aVp + a2Vn + Vh [0060] Par la suite, on définit trois systèmes qui regroupent les différentes composantes des tensions simples. Les systèmes sont présentés sous la forme matricielle suivante : [0061] - Un système direct
[0062] [Math. 8]
' Vap ‘ Vbp Vcp. 1 - 3 ' 1 9 cr . a a 1 a2 a2' a 1 . Va' Vb . Vc .
[0063] - Un système inverse
[0064] [Math.9]
' Van I ‘ 1 a2 a Va ’
Vbn __ _L - 3 a 1 a2 Vb
.Ven . .a2 a 1 . . Vc .
[0065] - Un système homopolaire
[Math. 10]
' Vah 1 ’ 1 ' (Va + Vb + Vc)
Vbh __ j. - 3 9 a (Va + Vb + Vc)
.Vch . . a . t(Va + Vb + Vc)
[0066] avec [Math. 11]
[0067] 12rr a = e 3
[0068] De manière préférée, en référence à la figure 8, le premier module de régulation de tension 20 est configuré pour traiter respectivement les composantes directes Vap, Vbp, Vcp, les composantes inverses Van, Vbn, Ven et les composantes homopolaires Vah, Vbh, Vch par un système direct 20p, un système inverse 20n et un système homopolaire 20h, chaque système 20p, 20n, 20h comportant un premier sous-système 20pd, 20nd, 20hd et un deuxième sous-système 20pq, 20nq, 20hq.
[0069] Le premier module de régulation de tension 20 est configuré pour convertir des composantes d’un système donné en une tension convertie de type « d » et une tension convertie de type « q » définies dans un référentiel « D-Q » par une transformée de Concordia.
[0070] Une régulation dans le référentiel D-Q est avantageuse étant donné qu’elle permet de réguler des grandeurs alternatives en continue. Ainsi, on bénéficie de bandes passantes qui sont indépendantes de la fréquence des grandeurs alternatives étant donné que ces grandeurs sont exprimées dans un repère fixe et non tournant. De telles grandeurs alternatives peuvent être aisément intégrées dans une unité électronique de régulation 2 comportant un microcontrôleur.
[0071] En référence à la figure 8, chaque système 20p, 20n, 20h est régulé en tension de manière indépendante dans le référentiel D-Q. Selon l’invention, chaque système 20p, 20n, 20h comporte un premier sous-système « d » et un deuxième sous-système « q » configurés pour réaliser une régulation des tensions dans le référentiel D-Q.
[0072] A titre d’exemple, en référence à la figure 9, le système direct 20p comporte un premier sous-système direct de type « d » 20pd configuré pour traiter les composantes d'axe d de la tension directe et un deuxième sous-système direct de type « q » 20pq configuré pour traiter les composantes d'axe q de la tension directe afin de permettre une régulation indépendante de chaque sous-système.
[0073] De même, le système inverse 20n comporte un premier sous-système inverse de type « d » 20nd configuré pour traiter les composantes d'axe d de la tension directe et un deuxième sous-système inverse de type « q » 20nq configuré pour traiter les composantes d'axe q de la tension inverse afin de permettre une régulation indépendante de chaque sous-système.
[0074] De manière analogue, le système homopolaire 20h comporte un premier soussystème homopolaire de type « d » 20hd configuré pour traiter les composantes d'axe d de la tension homopolaire et un deuxième sous-système homopolaire de type « q » 20hq configuré pour traiter les composantes d'axe q de la tension homopolaire afin de permettre une régulation indépendante de chaque sous-système.
[0075] Le premier module de régulation 20 est configuré, d’une part, pour comparer la tension convertie de type « d » par le premier sous-système 20pd, 20nd, 20hd à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous-grandeur correction de type « d » GCd et, d’autre part, pour comparer la tension convertie de type « q » par le deuxième sous-système 20pq, 20nq, 20hq à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous-grandeur correction de type « q » GCq.
[0076] En référence à la figure 8, chaque sous-système 20pd, 20pq, 20nd, 20nq, 20hd, 20hq réalise une étape de comparaison des tensions converties Vpd, Vpq, Vnd, Vnq, Vhd, Vhq dans le référentiel D-Q à des tensions de référence prédéterminées VREFpd, VREFpq, VREFnd, VREFnq, VREFhd, VREFhq du réseau de distribution RD.
[0077] Le premier module de régulation 20 est configuré pour déterminer des d’intensités de correction lac, Ibc, Icc à partir des sous-grandeurs de correction de type « d » GCd de
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] chaque sous-système de type « d » 20pd, 20nd, 20hd et des sous-grandeurs de correction de type « q » GCq de chaque sous-système de type « q » 20pq, 20nq, 20hq.
Par souci de clarté et de concision, il va être présenté par la suite le système de régulation directe 20p en référence à la figure 9, le sous-système de régulation inverse 20n et le sous-système de régulation homopolaire 20h étant analogues.
De manière avantageuse, afin d’améliorer la dynamique et la stabilité de la régulation, le système direct 20p est l’image du système réel. Autrement dit, comme illustré à la figure 8, les composantes directes Vap, Vbp, Vcp du système direct 20p correspondent aux composantes d’entrée réelle Va, Vb, Vc, c’est-à-dire, les tensions simples. Ainsi, le système direct 20p est adapté pour améliorer les performances.
En référence à la figure 9, le système de régulation directe 20p comporte une unité de conversion 21p afin de convertir les composantes directes (Vap, Vbp, Vcp) définies dans le référentiel A-B-C en tensions converties Vpd, Vpq définies dans le référentiel D-Q. Une telle conversion du référentiel A-B-C au référentiel D-Q peut être réalisée par les relations de Concordia et Park ci-dessous.
Conversion A-B-C à D-Q :
[0083]
[0084]
Figure FR3090240A1_D0002
[0085]
[0086]
[Math. 13]
Γd 1 = cos (0) 1^1 . - sin (0)
Système inverse 20n: [Math. 14]
[ d 1 = cos (0) sin cos
- sin (0)1 roc (e)l iP (0)1 r oc
[0087]
[0088]
[0089] l<7 1 sin (0) cos (0) J ιβ
Conversion D-Q à A-B-C :
Système direct 20p:
[Math. 15] i OC = COS (0) 1/3.
[0090]
[0091] . sin (0)
Système inverse 20n: [Math. 16] r a
- sin (0) cos (0) cos (0)
- sin (Θ) sin (Θ) cos (0)
[0092]
[Math. 17]
[1.0 0 ' ψ -0.5 [“]
LCj _05
[0093] Une telle conversion est connue de l’homme du métier et présente comme avantage de permettre de réguler des grandeurs alternatives en continue. De manière avantageuse, le système homopolaire 20h est obtenu de manière pratique par rotation de 120° comme indiqué précédemment.
[0094] Dans cet exemple, comme illustré à la figure 8, le paramètre 0 varie de 0 à 2π à une fréquence de l’ordre de 400 Hz.
[0095] Toujours en référence à la figure 9, le système direct 20p comporte un premier soussystème de type « d » 20pd et un deuxième sous-système de type « q » 20pq qui sont analogues. Le premier sous-système 20pd comporte une unité de comparaison 22p-d, une unité de correction 23p-d et une unité de saturation 24p-d. Le système direct 20p comporte en outre une unité de conversion inverse 25p afin de convertir les tensions définies dans le référentiel D-Q dans le référentiel A-B-C comme présenté précédemment pour l’unité de conversion 21.
[0096] L’unité de comparaison 22p-d permet de comparer la tension convertie Vpd à une tension directe de référence VREFpd de manière à définir une sous-grandeur de correction GCd qui est corrigée par une unité correction 23p-d puis saturée par une unité de saturation 24p-d en fonction de seuils prédéterminés.
[0097] Le premier module de régulation 20 permet de gérer les courts-circuits de charge de manière simple et pratique par l’utilisation d’unités de saturation 24p-d qui permettent de limiter le courant de sortie de l’onduleur 13. En pratique, l’image du courant de sortie est :
[0098] [Math. 18] / 9 9 ô 9 7 7 ^max = + ïnq + ïnd + I hq + hd
[0099] Si Imax est supérieur à un seuil du courant de court-circuit prédéterminé, l’unité de saturation 24p-d limitera la valeur.
[0100] Aussi, en cas de court-circuit d’une phase au neutre, c’est principalement le système homopolaire 20h qui fournira et limitera le courant de court-circuit. Les deux autres systèmes agiront mais dans une moindre mesure. En cas de court-circuit d’une phase à phase : c’est principalement le système inverse 20n qui fournira et limitera le courant de court-circuit. Les deux autres systèmes agiront mais dans une moindre mesure.
[0101] Un exemple d’unité de correction 23p-d est représenté à la figure 10. De manière préférée, l’unité de correction 23p-d comporte un ou plusieurs opérateurs du type « proportionnel intégrale » (PI) et des constantes Kp-p, Ki-p qui sont calculées afin d’obtenir les dynamiques et les amortissements désirés. Dans cet exemple, pour obtenir une bande passante de 400 Hz et un taux d’amortissement ksi de 0.7 pour les unités de correction des sous-systèmes directs 23p-d, 23p-q, les constantes directes Kp-p, Ki-p sont respectivement égales à Kp-p=0.5278 et Ki-p=0.0237.
[0102] De manière analogue, pour obtenir une bande passante de 200 Hz et un taux d’amortissement ksi de 0.7 pour les unités de correction des sous-systèmes inverses 23n-d, 23n-q, les constantes inverses Kp-n, Ki-n sont respectivement égales à Kp-n=0. 2639 et Ki-n=0. 0059.
[0103] Enfin, pour obtenir une bande passante de 200 Hz et un taux d’amortissement ksi de 0.7 pour les correcteurs des sous-systèmes homopolaires 23h-d, 23h-q, les constantes homopolaires Kp-h, Ki-h sont respectivement égales à Kp-h=0. 2639 et Ki-h=0. 0059.
[0104] De manière analogue, toujours en référence à la figure 9, le deuxième sous-système de régulation du type « q » 20pq comporte une unité de comparaison 22p-q, une unité de correction 23p-q et une unité de saturation 24p-q.
[0105] Les composantes a, b, c issues des différentes unités de conversion 25p, 25n, 25h sont agrégées respectivement par des sommateurs 26a, 26b, 26c afin de fournir des intensités de correction lac, Ibc, Icc.
[0106] Le deuxième module de régulation 30 est configuré pour comparer les intensités de correction lac, Ibc, Icc à des intensités mesurées la, Ib, le en sortie de l’onduleur 13 de manière à déterminer une pluralité de grandeurs de correction GC1, GC2, GC3 comme illustré à la figure 11.
[0107] Le deuxième module de régulation 30 met en œuvre une boucle de courant basée sur une régulation instantanée. L’avantage d’une telle régulation de courant est de pouvoir contrôler le courant quel que soit la charge, linéaire et non linéaire. De manière avantageuse, si une composante continue est introduite par une charge non-linéaire ou par le découpage de la tension, le deuxième module de régulation 30 permet avantageusement d’annuler cette composante. A cet effet, le deuxième module de régulation 30 est associé à des capteurs de courant configurés pour mesurer la composante alternative du courant mesuré et, de préférence, la composante continue.
[0108] Grâce au deuxième module de régulation 30, le courant circulant dans les moyens de filtrage, notamment, dans son inductance, sont régulées de manière optimale.
[0109] En référence à la figure 11, le deuxième module de régulation 30 comporte trois branches 30a, 30b, 30c pour réguler les intensités issues des différentes phases de l’onduleur 13. Les trois branches 30a, 30b, 30c sont analogues. Aussi, par souci de concision et de clarté, seule la première branche 30a va être présentée, la description s’appliquant de manière analogue aux autres branches 30b, 30c.
[0110] En référence à la figure 11 représentant de manière rapprochée le deuxième module de régulation 30, la première branche 30a comporte successivement :
• une unité de comparaison 31a configurée pour comparer l’intensité corrigée lac, issue du premier module de régulation 20, à l’intensité la mesurée en sortie de l’onduleur 13, • une unité de correction 32a configurée pour déterminer une grandeur de correction préliminaire à partir de la différence fournie par l’unité de comparaison 31a • une unité de saturation 33a configurée pour saturer la grandeur de correction préliminaire, fournie par l’unité de correction 32a, en fonction de conditions prédéterminées et ainsi fournir une grandeur de correction GC1 pour la première branche 30a et • une unité de compensation de la tension 34a.
[0111] De manière préférée, l’unité de correction 32a est du type RST, connu de l’homme du métier, et paramétrée en fonction de la dynamique et de l’amortissement voulu.
[0112] Dans cet exemple, l’unité de saturation 33a, connue de l’homme du métier sous son appellation anglaise « anti-windup limitation », permet de limiter la tension de sortie de l’onduleur 13, en particulier, entre -210V et +210V dans la présente application.
[0113] L’unité de compensation de la tension 34a permet de compenser la valeur continue, non souhaitée, sur les sorties alternatives. Dans cet exemple, l’unité de compensation de tension 34a permet de réaliser une régulation instantanée sur les intensités.
[0114] Grâce au deuxième module de régulation 30, les branches 30a, 30b, 30c permettent respectivement de fournir des grandeurs de correction GCi, GC2, GC3.
[0115] De manière préférée, pour réduire les contraintes sur les composants de puissance, la tension du bus d’alimentation de l’onduleur 13 peut être réduite en fonction de l’image du courant de sortie Imax afin de réduire l’ondulation de courant.
[0116] Le module détermination 40 est configuré pour former un signal de régulation So de l’onduleur 13 à partir des grandeurs de correction déterminées GC1, GC2, GC3.
[0117] En référence à la figure 8, pour chaque branche de l’onduleur 13, les grandeurs de correction GCi, GC2, GC3 sont converties par le module de détermination 40 en paramètres de commande SOi-SO6 afin de former un signal de régulation So qui est transmis à l’onduleur 13. Chaque paramètre de commande SOi-SO6 permet de réguler de manière précise l’onduleur 13, en particulier, en commandant l’ouverture ou la fermeture des interrupteurs dudit onduleur 13. Dans cet exemple, la génération de commandes des interrupteurs de l’onduleur 13 est effectuée par une commande du type MLI/PWM.
[0118] Grâce à cette régulation, l’onduleur 13 va modifier son paramétrage afin de fournir, pour chaque branche, une tension Va, Vb, Vc au point de régulation 15 sensiblement égale à la tension de référence attendue par le réseau de distribution RD. Cette ré16 gulation est avantageusement autonome.
[0119] De manière préférée, en référence à la figure 12, le système de génération comporte un module de compensation en tension 5 de la composante continue qui reçoit en entrée chaque composante continue Vdc_a, Vdc_b, Vdc_c de la tension de ortie Va, Vb, Vc qui a été préalablement extraite par des filtres RC d’ordre 2 afin d’en déduire une intensité de compensation IdcREF_a, IdcREF_b, IdcREF_c pour chaque composante.
[0120] Comme illustré à la figure 13, le module de compensation 5 comporte un sousmodule de moyenne 50 afin d’obtenir la composante continue moyenne Vdc_a_m, Vdc_b_m, Vdc_c_m de chaque composante continue Vdc_a, Vdc_b, Vdc_c. En pratique, la composante continue moyenne Vdc_a_m, Vdc_b_m, Vdc_c_m est obtenue par un calcul glissant à une fréquence de 400 Hz de manière à filtrer toute composante résiduelle ayant une fréquence de 400 Hz dans la composante continue Vdc_a, Vdc_b, Vdc_c.
[0121] Le module de compensation 5 comporte un sous-module de comparaison 51a, 51b, 51c configuré pour comparer la composante continue moyenne Vdc_a_m, Vdc_b_m, Vdc_c_m à une tension continue de référence VdcREF_a, VdcREF_b, VdcREF_c de manière à obtenir un écart qui est traité par un sous-module de correction 52a, 52b, 52c puis un sous-module de saturation 53a, 53b, 53c afin d’en déduire l’intensité de compensation IdcREF_a, IdcREF_b, IdcREF_c pour chaque composante.
[0122] De manière préférée, en référence à la figure 14, chaque sous-module de correction 52a, 52b, 52c est un correcteur du type Proportionnel Intégral PI. Le correcteur PI comporte deux paramètres Kp_dc, Ki_dc qui sont déterminés afin d’obtenir la dynamique désirée.
[0123] Les intensités de compensation IdcREF_a, IdcREF_b, IdcREF_c pour chaque composante sont fournies en entrée des sommateurs 26a, 26b, 26c afin de fournir des intensités de correction lac, Ibc, Icc améliorée pour le deuxième module de régulation 30 comme illustré à la figure 12. Ainsi, la composante continue des tensions de sorties Va, Vb, Vc est éliminée par action sur le module de régulation 30.
[0124] Il va dorénavant être présenté plusieurs exemples de mise en œuvre d’un procédé de régulation du système de génération d’énergie électrique 1 selon l’invention de manière à fournir en sortie du point de régulation 15 des tensions électriques qui soient sensiblement égales aux tensions électriques de référence attendues par le réseau de distribution RD. L’unité électronique de régulation 2 permet de mettre en œuvre le procédé de régulation dont les étapes sont illustrées à la figure 7.
[0125] En référence à la figure 7, le procédé de régulation comporte une première étape de régulation El des tensions de sortie Va, Vb, Vc mesurées au point de régulation 15 de manière à déterminer les intensités de correction lac, Ibc, Icc à partir des sous17 grandeurs de correction de type « d » GCd de chaque sous-système de type « d » 20pd, 20nd, 20hd et des sous-grandeurs de correction de type « q » GCq de chaque soussystème de type « q » 20pq, 20nq, 20hq. De manière préférée, la composante continue est compensée par le module de compensation 5.
[0126] Le procédé de régulation comporte une deuxième étape de régulation E2 dans laquelle les intensités de correction lac, Ibc, Icc sont comparées à des intensités mesurées la, Ib, le en sortie de l’onduleur 13 de manière à déterminer une pluralité de grandeurs de correction GC1, GC2, GC3 et une étape de détermination E3 d’un signal de régulation So de l’onduleur 13 à partir des grandeurs de correction déterminées GC1, GC2, GC3.
[0127] Le système de régulation selon l’invention a été testé dans plusieurs configurations de charge. Suite aux simulations, le système de régulation est performant à vide, en présence d’une charge linéaire (par exemple une charge résistive de 45kVA), d’une charge non-linéaire (par exemple pour un convertisseur triphasé à continu) de 9kW, pour une charge déséquilibrée triphasée ou monophasée.

Claims (1)

  1. Revendications [Revendication 1] Procédé de régulation d’un système de génération d’énergie électrique (1) pour un réseau de distribution électrique (RD) d’un aéronef, le système de génération d’énergie électrique (1) comprenant :
    au moins un onduleur (13) produisant une tension selon plusieurs phases à fréquence fixe, au moins un filtre LC (14) placé en sortie de l’onduleur (13) et un point de régulation (15) placé en sortie du filtre LC (14) afin de fournir une tension constante en fréquence et en amplitude au réseau de distribution (RD) procédé de régulation comprenant :
    i. une première étape de régulation (El) des tensions de sortie Va, Vb, Vc mesurées au point de régulation (15), comprenant • une sous-étape de décomposition de chaque tension de sortie Va, Vb, Vc en une composante directe Vap, Vbp, Vcp, une composante inverse Van, Vbn, Ven et une composante homopolaire Vah, Vbh, Vch, • une sous-étape de traitement respectif des composantes directes Vap, Vbp, Vcp, des composantes inverses Van, Vbn, Ven et des composantes homopolaires Vah, Vbh, Vch par un système direct (20p), un système inverse (20n) et un système homopolaire (20n), chaque système (20p, 20n, 20h) comportant un premier sous-système (20pd, 20nd, 20hd) et un deuxième sous-système (20pq, 20nq, 20hq), • une sous-étape de conversion des composantes d’un système donné en une tension convertie de type « d » et une tension convertie de type « q » définies dans un référentiel « D-Q », • une sous-étape de comparaison de la tension convertie de type « d » par le premier soussystème (20pd, 20nd, 20hd) à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous-grandeur correction de type
    « d » GCd, • une sous-étape de comparaison de la tension convertie de type « q » par le deuxième soussystème (20pq, 20nq, 20hq) à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous-grandeur correction de type « q » GCq, • une sous-étape de détermination d’intensités de correction lac, Ibc, Icc à partir des sousgrandeurs de correction de type « d » GCd de chaque sous-système de type « d » (20pd, 20nd, 20hd) et des sous-grandeurs de correction de type « q » GCq de chaque sous-système de type « q » (20pq, 20nq, 20hq), ii. une deuxième étape de régulation (E2) dans laquelle les intensités de correction lac, Ibc, Icc sont comparées à des intensités mesurées la, Ib, le en sortie de l’onduleur (13) de manière à déterminer une pluralité de grandeurs de correction GC1, GC2, GC3 et iii. une étape de détermination (E3) d’un signal de ré- gulation So de l’onduleur (13) à partir des grandeurs de correction déterminées GC1, GC2, GC3. [Revendication 2] Procédé de régulation selon la revendication 1, dans lequel la première étape de régulation (El) comporte une sous-étape de correction, en particulier, au moyen d’au moins un opérateur proportionnel intégral, de manière à déterminer les sous-grandeurs de correction de type « d » GCd et les sous-grandeurs de correction de type « q » GCq. [Revendication 3] Procédé de régulation selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la première étape de régulation (El) comporte une sous-étape de saturation de manière à déterminer les sous-grandeurs de correction de type « d » GCd et les sous-grandeurs de correction de type « q » GCq. [Revendication 4] Procédé de régulation selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel
    chaque sous-système met en œuvre des sous-étapes analogues. [Revendication 5] Procédé de régulation selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les tensions de sortie Va, Vb, Vc du point de régulation (15) sont utilisées comme composantes directes Vap, Vbp, Vcp du système direct (20p). [Revendication 6] Procédé de régulation selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les composantes du système homopolaire sont converties dans le référentiel D-Q par réalisation d’un déphasage de 120°. [Revendication 7] Procédé de régulation selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la deuxième étape de régulation (E2) comporte une sous-étape de correction, en particulier, au moyen d’au moins un opérateur proportionnel intégral, de manière à déterminer chaque grandeur de correction GC1, GC2, GC3. [Revendication 8] Procédé de régulation selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la deuxième étape de régulation (E2) comporte une sous-étape de saturation de manière à déterminer chaque grandeur de correction GC1, GC2, GC3. [Revendication 9] Procédé de régulation selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la deuxième étape de régulation (E2) est réalisée à une fréquence au moins deux fois plus rapide, de préférence, au moins cinq fois plus rapide que la première étape de régulation des tensions (El). [Revendication 10] Procédé de régulation selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant une étape de compensation en tension de la composante continue dans laquelle des intensités de compensation (IdcREF_a, IdcREF_b, IdcREF_c) sont déterminées à partir des composantes continues des tensions de sortie (Vdc_a, Vdc_b, Vdc_c) et ajoutées aux intensités de correction (lac, Ibc, Icc). [Revendication 11] Procédé de régulation selon la revendication 10, dans laquelle l’intensité de compensation (IdcREF_a, IdcREF_b, IdcREF_c) d’une composante est obtenue à partir de la comparaison de la composante continue moyenne (Vdc_a_m, Vdc_b_m, Vdc_c_m) à une tension continue de référence (VdcREF_a, VdcREF_b, VdcREF_c). [Revendication 12] Système de génération d’énergie électrique (1) pour un réseau de distribution électrique (RD) d’un aéronef, le système de génération d’énergie électrique (1) comprenant : - au moins un onduleur (13) produisant une tension selon plusieurs phases à fréquence fixe,
    au moins un filtre LC (14) placé en sortie de l’onduleur (13), un point de régulation (15) placé en sortie du filtre LC (14) afin de fournir une tension constante en fréquence et en amplitude au réseau de distribution (RD) et une unité électronique de régulation (2), reliant le point de régulation (15) à l’onduleur (13), l’unité électronique de régulation (2) comprenant :
    i. un premier module de régulation (20) des tensions de sortie Va, Vb, Vc mesurées au point de régulation (15), le premier module de régulation (20) étant configuré pour :
    • décomposer chaque tension de sortie Va, Vb, Vc en une composante directe Vap, Vbp, Vcp, une composante inverse Van, Vbn, Ven et une composante homopolaire Vah, Vbh, Vch, • traiter respectivement les composantes directes Vap, Vbp, Vcp, les composantes inverses Van, Vbn, Ven et les composantes homopolairse Vah, Vbh, Vch par un système direct (20p), un système inverse (20n) et un système homopolaire (20n), chaque système (20p, 20n, 20h) comportant un premier soussystème (20pd, 20nd, 20hd) et un deuxième sous-système (20pq, 20nq, 20hq), • convertir des composantes d’un système donné en une tension convertie de type « d » et une tension convertie de type « q » définies dans un référentiel « D-Q », • comparer la tension convertie de type « d » par le premier sous-système (20pd, 20nd, 20hd) à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sousgrandeur correction de type « d » GCd, • comparer la tension convertie de type « q » par le deuxième sous-système (20pq, 20nq, 20hq) à une tension de référence prédéterminée de manière à en déduire une sous- ii.
    grandeur correction de type « q » GCq, • déterminer des d’intensités de correction lac,
    Ibc, Icc à partir des sous-grandeurs de correction de type « d » GCd de chaque sous-système de type « d » (20pd, 20nd, 20hd) et des sous-grandeurs de correction de type « q » GCq de chaque sous-système de type « q » (20pq, 20nq, 20hq), un deuxième module de régulation (30) configuré pour comparer les intensités de correction lac, Ibc, Icc à des intensités mesurées la, Ib, le en sortie de l’onduleur (13) de manière à déterminer une pluralité de grandeurs de correction GC1, GC2, GC3 et un module de détermination (40) d’un signal de régulation So de l’onduleur (13) à partir des grandeurs de correction déterminées GC1, GC2, GC3.
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