Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / La validité des modèles des générateurs est essentielle aux analyses de stabilité et de performance dynamique des réseaux électriques. Les producteurs d’énergie doivent fournir aux transporteurs d’électricité les paramètres électriques dynamiques du modèle de tous les générateurs mis en service après 1990. Les paramètres fournis doivent obligatoirement être validés par des mesures expérimentales. En Amérique du Nord, la procédure d’estimation des paramètres la plus acceptée est l’essai de courtcircuit brusque. Pour des cas de réfection, les risques élevés de bris peuvent devenir inacceptables. L’essai SSFR (« Standstill Frequency Response ») décrit dans la norme ANSI/IEEE Std 115-2009 comporte plusieurs avantages par rapport aux méthodes plus traditionnelles, notamment l’amélioration de la précision des modèles sur une bande passante plus large (> 200 Hz) et l’élimination des risques d’endommager le générateur. L’objectif du projet de recherche est de développer un système de mesure automatisé répondant à des contraintes industrielles afin d’assister la réalisation de l’essai SSFR sur de grands alternateurs hydrauliques. La solution proposée vise à maximiser la qualité des mesures tout en minimisant le nombre d’interventions manuelles et la complexité du montage expérimental. Le système a été utilisé pendant plus de deux mille heures afin de réaliser des essais de validation sur des générateurs de 5.4 kVA. Les essais ont permis de démontrer que le système est robuste et qu’il possède les spécifications requises pour effectuer des essais SSFR répondant aux exigences de la norme ANSI/IEEE Std 115- 2009. Les trois premiers chapitres du mémoire introduisent les bases théoriques liées à la modélisation dq0 d’un générateur synchrone, puis décrivent les principaux essais permettant l’identification des paramètres du modèle. La seconde partie du mémoire se concentre sur les divers aspects de conception du système de mesure automatisé. / Generator models validity is essential to analyze power grids stability and dynamic performance. Energy producers must provide power carriers with the model parameters of all generators commissioned after 1990. The parameters supplied must be validated by experimental measurements. In North America, the most accepted parameter estimation procedure is the short-circuit test. For repair cases, the high risk of damaging the alternator may become unacceptable. The SSFR (« Standstill Frequency Response ») test described in the ANSI / IEEE Std 115-2009 standard has several advantages over more traditional methods, namely an improvement of the models accuracy over a wider bandwidth (> 200 Hz) and the elimination of the risk of damaging the generator. The research project objective is to develop an automated measurement system meeting industrial constraints in order to assist the realization of the SSFR test on large hydraulic alternators. The proposed solution aims to maximize the quality of measurements while minimizing the number of manual interventions and the complexity of the experimental setup. The system has been used for more than two thousand hours to perform validation tests on 5.4 kVA generators. The tests demonstrated that the system is robust and has the required specifications to perform SSFR tests that meet the requirements of the ANSI / IEEE Std 115-2009 standard. The first three chapters of the thesis introduce the theoretical framework related to the dq0 modelisation of a synchronous generator, then describe the main tests allowing the identification of the model parameters. The second part of the thesis focuses on the various design considerations of the automated measurement system.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Ce mémoire présente une application de la méthode des réponses en fréquence à l’arrêt ou Standstill Frequency Response (SSFR) pour trois machines synchrones distinctes : une machine de laboratoire de 5.4kVA à rotor lisse, du type turbogénérateur, une machine de laboratoire de 5.4kVA à rotor saillant, du type hydrogénérateur et un grand alternateur de réseau de 95 MVA, du type hydrogénérateur. Cette méthode est détaillée dans la norme IEEE 115-2009 et permet l’identification des paramètres d’un circuit équivalent dq pour des alternateurs synchrones. Ces modèles sont souvent utilisés pour des études de stabilité du réseau électrique. Nous avons adapté l’utilisation de la méthode SFFR pour chaque machine en essayant de réduire le nombre de mesures à réaliser dans le domaine des basses fréquences. Cette modification permet de minimiser la durée des expériences. Une bonne partie du mémoire rappelle les bases théoriques nécessaires à l’utilisation de la méthode SSFR, notamment le développement du modèle dq, la transformation de Park et les différentes fonctions de transfert qui représentent le comportement d’une machine. Par la suite, nous décrivons le protocole expérimental et l’analyse des données pour l’identification des paramètres du modèle pour chaque alternateur. Une validation des paramètres est réalisée en comparant les données expérimentales et les résultats simulés pour plusieurs essais de courts-circuits (triphasés et biphasés), à différents niveaux de courant d’excitation. / This paper presents an application of the well-known Standstill Frequency Response (SSFR) method for three separate synchronous machines: a 5.4kVA round rotor turbogenerator, a 5.4 kVA salient rotor and a large 95 MVA hydrogenerator. This method is detailed in the IEEE 115-2009 standard and allows the identification of the parameters of an equivalent circuit for dq synchronous generators. These models are often used for the grid stability studies. We adapted the SSFR method for each machine in order to reduce the number of measurements to be performed in the low frequency range. This modification reduces the duration of the experiments. The theoretical basis for the use of SSFR method is reviewed carefully, including the development of dq model, Park transformation and different transfer functions that represent the behavior of a machine. Subsequently, we describe the experimental protocol and data analysis for the identification of the model parameters for each generator. A parameter validation is performed by comparing the experimental and simulated results of several short-circuit tests (three-phase and two-phase), at different levels of excitation current.

La génératrice synchrone à griffes est une technologie mature et économique qui est largement utilisée dans l'industrie automobile pour l'alimentation des équipements électriques à bord des véhicules et la recharge de l'accumulateur d'énergie. Cependant, le système de génération actuel qui utilise un simple pont redresseur à diodes atteint ses limites en raison de son faible rendement et de l'augmentation progressive de la puissance consommée. Ce travail présente une étude comparative de différentes structures de redressement qui peuvent être associées à un alternateur à rotor à griffes dans le but d'augmenter la puissance de sortie et le rendement du système, tout en minimisant l'ondulation du courant de sortie. Nous proposons un modèle équivalent de type circuit permettant de simuler le comportement d'un système de génération automobile conventionnel avec une précision raisonnable. Plusieurs techniques pour augmenter la puissance maximale de sortie d'un alternateur branché à un redresseur à diodes sont évaluées. Ces techniques ne nécessitent aucune modification de géométrie de l'alternateur mais rajoutent certaines limitations sur le fonctionnement qui sont discutées. Nous étudions ensuite des structures de redressement à MLI en comparant leur prix et leurs performances théoriques. Des versions entrelacées de ces structures sont analysées pour minimiser l'ondulation du courant de sortie. Toutes ces solutions sont testées et comparées sur un banc d'essai polyvalent qui a été développé dans le cadre de cette étude. Ce travail montre qu'il est possible d'augmenter la puissance de sortie et le rendement lors du fonctionnement à haute vitesse avec des redresseurs MLI ou des redresseurs à diodes, mais il est très difficile d'égaler, en même temps, la puissance et le rendement à la vitesse de ralenti. L'entrelacement de plusieurs structures de redressement permet une réduction importante de l'ondulation du courant de sortie et n'entraine pas forcement une augmentation de prix. Les essais pratiques ont aussi mis en évidence les limites d'une comparaison des performances par simulation lorsque la saturation magnétique dans la machine est négligée.

Un pont à diodes ne peut pas être utilisé avec une génératrice à flux trans verse en raison de sa grande inductance statorique. Le but de cette étude est d'examiner différentes solutions pour des redresseurs utilisés avec une génératrice à flux transverse fonctionnant à vitesse variable en regardant leurs avantages et inconvénients. Comme solutions conventionnelles, des ponts à diodes avec compensation passive et des redresseurs à MLI sont étudiés. Aussi, une nouvelle topologie de redresseur à haut rendement sera présentée qui peut être utilisée avec des sources à fréquence variable ayant une inductance très élevée et saturable incluant les machines à flux transverse

La mise en place d'un nouveau canal d'alimentation électrique incorporant un générateur à aimants permanents PMG (Permanent Magnet Generator) en remplacement de l'actuel canal de génération hydraulique est l'un des sujets de recherche en cours dans le secteur aéronautique. Le choix de cette solution est motivé par de nombreux avantages : réduction de masse, meilleure disponibilité du réseau hydraulique et maintenance plus aisée. Cependant, l'utilisation d'un PMG en tant que générateur électrique au sein d'un avion implique de nouvelles problématiques, notamment en ce qui concerne la sûreté de fonctionnement lors de défaillances internes au PMG. En effet, tant que le rotor est en rotation, la présence d'une excitation permanente due aux aimants entretient la présence du défaut même si le stator n'est plus alimenté, ce qui complexifie la mise en sécurité du PMG. Il est ainsi nécessaire de connaître précisément l'état de santé du PMG afin d'assurer une bonne continuité de service en évitant d'ordonner la mise en sécurité du PMG sur des défaillances externes au générateur. C'est pourquoi les travaux de cette thèse portent sur la détection des courts-circuits inter-spires dans les PMG, ces défauts ayant été identifiés comme les plus critiques pour ce type de machine. Compte tenu du contexte aéronautique, il a été choisi de travailler sur les méthodes de détection basées sur l'estimation de paramètres via un modèle mathématique de la machine en utilisant le Filtre de Kalman Etendu (FKE). En effet, s'il est correctement paramétré, le FKE permet d'obtenir une bonne dynamique de détection et s'avère être très robuste aux variations du réseau électrique (vitesse, déséquilibre, ...), critère important pour garantir un canal de génération fiable. Deux types de modèle mathématique sont présentés pour la construction d'un indicateur de défaut utilisant les estimations fournies par le FKE. Le premier est basé sur une représentation saine du PMG où l'indicateur de défaut est construit à partir de l'estimation de certains paramètres de la machine (résistance, inductance, constante de fem ou pulsation électrique). Le second modèle utilise une formulation d'un PMG défaillant qui permet d'estimer le pourcentage de spires en court-circuit. Après avoir comparé et validé expérimentalement le comportement des différents indicateurs sur un banc de test à puissance réduite, la mise en place d'un indicateur de court-circuit inter-spires au sein d'un réseau électrique aéronautique et son interaction avec les protections existantes sur avion sont étudiées dans la dernière partie de ce mémoire.

Cette Thèse présente une méthodologie pour la conception optimale multidisciplinaire des générateurs synchrones à aimants permanents appliqués à l'énergie éolienne. Telle méthodologie prend en compte les comportements électriques, géométriques, thermiques, électroniques, mécaniques et économiques de l'éolienne. La courbe d'occurrence du vent, modélisée par une fonction de densité statistique, est également prise en compte par la méthodologie de conception proposée. Considérer cette courbe dans la conception optimale permet de calculer la quantité d'énergie produite par l'éolienne, qui fonctionne sous vitesse et puissance variables par l'influence de la vitesse du vent. La proposition d'utiliser l'optimisation dans la conception est d'améliorer la compétitivité de l'énergie éolienne en concevant un générateur avec une bonne relation entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Plusieurs études portent sur la conception optimale des machines électriques liées à l'énergie éolienne, mais peu ont présenté une méthode permettant d'estimer la production d'énergie éolienne, ce qui est obligatoire pour obtenir un générateur rentable. De plus, les aspects multidisciplinaires approfondis du générateur électrique ont été considérés par la méthode proposée plus en détail que d'autres études trouvées dans la littérature. Prendre en compte tous ces aspects entraîne un grand problème d'optimisation qui compte environ 2000 variables, dont environ 250 ont des contraintes imposées. Un algorithme d'optimisation déterministe a été choisi pour traiter ce problème. Un tel algorithme est capable de trouver la solution en quelques itérations et un court laps de temps grâce au calcul de la matrice jacobienne, contenant les gradients exacts du modèle (utilisé pour décrire le comportement de l'éolienne). Les résultats présentés explorent le potentiel méthodologique proposé. La première conception optimale réalisée minimise le coût du matériau actif du générateur, ce qui présente une réduction significative des coûts par rapport à un générateur non optimal. Ensuite, la contradiction entre le coût du générateur et son efficacité est analysée et l'importance d'inclure la production d'énergie éolienne dans la conception du générateur devient évidente. En utilisant l'énergie éolienne estimée générée par l'éolienne, le générateur avec un bénéfice net maximal (égal au produit de l'énergie éolienne moins le coût du générateur) a été obtenu. Ce générateur a un bon rapport entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Ensuite, des analyses de sensibilité ont été effectuées pour vérifier comment le prix de l'électricité et la vitesse moyenne annuelle du vent influencent la conception. Enfin, deux éoliennes de différents diamètres et différents vitesses nominales du vent ont été utilisées, compte tenu de trois profils de vent distincts. Ces résultats fournissent les générateurs plus adaptés à chaque éolienne appliquée à chaque profil de vent, montrant que la méthodologie de conception proposée a la capacité de faciliter le choix de l'éolienne adéquate à chaque parc éolien. / This Ph.D. dissertation presents a multidisciplinary optimum design methodology to permanent magnet synchronous generators applied to wind power. Such a methodology considers the electrical, the geometrical, the thermal, the electronic, the mechanical and the economical behaviors of the wind turbine. The wind occurrence curve, modelled by a statistical density function, is also take into account by the proposed design methodology. Considering this curve in the optimal design allows to calculate the amount of energy produced by the wind turbine, which operates under variable speed and power by the influence of the actual wind speed. The proposal of using the optimization in the design is to enhances the competitiveness of wind power by designing a generator with a good relation between its cost and its capacity to generate energy. Several studies are addressed to electrical machines optimum design related to wind power, however, few have presented a method able to estimate the wind turbine energy generation, which is mandatory to obtain a cost-effective generator. Further, the electric generator in-depth multidisciplinary aspects have been considered by the proposed method in more detail than other studies found in literature. Take into consideration all these aspects results in a large optimization problem that has approximately 2000 variables, among which approximately 250 have constraints imposed on. A deterministic optimization algorithm has been chosen to deal with this problem. Such an algorithm is capable of finding the solution within few iterations and a short time thanks to the computation of the Jacobean matrix, containing the exact gradients of the model (used to describe the wind turbine behavior) outputs. The presented results explore the proposed methodology potential. The first optimal design performed minimizes the generator active material cost, presenting a significant cost reduction compared to a non-optimal generator. Next, the contradiction between the generator cost and its efficiency is analyzed and the importance of including the wind turbine energy generation into the generator design becomes evident. Using the estimated wind turbine generated energy, the generator with maximum net earnings (equal to the wind turbine energy proceeds less the generator cost) has been obtained. This generator has a good ratio between its cost and capability to generate energy. Then, sensibility analysis have been carried out to verify how the electricity price and the annual mean wind speed influence the design. Finally, two wind turbines with different diameters and rated wind speeds have been employed, considering three distinct wind profiles. These results provide the generators more suited to each wind turbine applied to each wind profile, showing that the proposed design methodology has the ability to helps choosing the wind turbine adequate to each wind farm.

La mise en place d’un nouveau canal d’alimentation électrique incorporant un générateur à aimants permanents PMG (Permanent Magnet Generator) en remplacement de l’actuel canal de génération hydraulique est l’un des sujets de recherche en cours dans le secteur aéronautique. Le choix de cette solution est motivé par de nombreux avantages : réduction de masse, meilleure disponibilité du réseau hydraulique et maintenance plus aisée. Cependant, l’utilisation d’un PMG en tant que générateur électrique au sein d’un avion implique de nouvelles problématiques, notamment en ce qui concerne la sûreté de fonctionnement lors de défaillances internes au PMG. En effet, tant que le rotor est en rotation, la présence d’une excitation permanente due aux aimants entretient la présence du défaut même si le stator n’est plus alimenté, ce qui complexifie la mise en sécurité du PMG. Il est ainsi nécessaire de connaître précisément l’état de santé du PMG afin d’assurer une bonne continuité de service en évitant d’ordonner la mise en sécurité du PMG sur des défaillances externes au générateur. C’est pourquoi les travaux de cette thèse portent sur la détection des courts-circuits inter-spires dans les PMG, ces défauts ayant été identifiés comme les plus critiques pour ce type de machine. Compte tenu du contexte aéronautique, il a été choisi de travailler sur les méthodes de détection basées sur l’estimation de paramètres via un modèle mathématique de la machine en utilisant le Filtre de Kalman Etendu (FKE). En effet, s’il est correctement paramétré, le FKE permet d’obtenir une bonne dynamique de détection et s’avère être très robuste aux variations du réseau électrique (vitesse, déséquilibre, …), critère important pour garantir un canal de génération fiable. Deux types de modèle mathématique sont présentés pour la construction d’un indicateur de défaut utilisant les estimations fournies par le FKE. Le premier est basé sur une représentation saine du PMG où l’indicateur de défaut est construit à partir de l’estimation de certains paramètres de la machine (résistance, inductance, constante de fem ou pulsation électrique). Le second modèle utilise une formulation d’un PMG défaillant qui permet d’estimer le pourcentage de spires en court-circuit. Après avoir comparé et validé expérimentalement le comportement des différents indicateurs sur un banc de test à puissance réduite, la mise en place d’un indicateur de court-circuit inter-spires au sein d’un réseau électrique aéronautique et son interaction avec les protections existantes sur avion sont étudiées dans la dernière partie de ce mémoire. / The establishment of an electrical power supply channel including a Permanent Magnet Generator (PMG) to replace an hydraulic power channel is one of the current topics of research in the aeronautic field. This choice is motivated by several benefits : weight reduction, improvement of the hydraulic network avaibility and easier maintenance. However, the use of PMG as an electrical generator in an aircraft implies new issues, particularly as regards safety considerations when an internal fault occurs in the PMG. Indeed, as long as the rotor in rotating, the presence of the persistent excitation due to the magnets maintains the internal fault even if the stator is de-energized. This makes the safety procedure of PMG more complex. Therefore, it is necessary to precisely know the behavior of the PMG (healthy or faulty) to ensure the avaibility of this power supply channel in order to avoid triggering PMG safety procedure when an external fault occurs. Thus, this work deals with the on-line detection of inter-turn short-circuits in PMG, these faults have been identified as the most critical for this kind of machine Given the aeronautic context, it has been decided to work on detection methods based on parameter estimation via a mathematical model of the machine using the Extended Kalman Filter (EKF). Indeed, with an appropriate setting, the EKF provides a fast dynamic detection and can be very robust to variations in the electrical network (speed, unbalanced, ...) which is an important characteristic to ensure a reliable generation channel. Two types of mathematical model are presented for fault indicator construction using the estimations provided by the EKF. The first one is based on an healthy representation of the PMG where the fault indicator is built from the estimation of PMG electrical parameters (resistance, inductance, electromotive force constant or electrical rotational velocity). The second model uses a faulty PMG formulation to estimate the ratio of short-circuited turns. After the comparison and the experimental validation of the fault indicators behavior on a test bench at reduced power, the establishment of a inter-turn short-circuit indicator within an aircraft electrical system and its interaction with existing protections are studied in the last part of this thesis.