Architecture et gestion d'un réseau continu maillé haute-tension pour l'aéronautique

Architecture et gestion d’un réseau continu maillé
haute-tension pour l’aéronautique

Mode transfert de puissance contrôlé

Ce mode constitue la base de notre futur maillage puisqu’il doit être utilisé entre 2 cœurs sains, c’est-à-dire qui disposent chacun d’une source contrôlant la tension du coeur. Ici, nous cherchons à faire transiter une puissance donnée d’un cœur à l’autre. Nous montrons également la réversibilité du système et les possibilités de contrôle de la puissance transitée offerte par le DCPFC.

Stratégie de contrôle de la puissance

Ce mode de fonctionnement étant le mode de fonctionnement basique du DCPFC, il est décrit dans le paragraphe précédent. Nous allons donc utiliser une référence de puissance qui est envoyée au CPU du DCPFC afin de commander les interrupteurs statiques. Chapitre III 88 Nous avons vu que la loi de commande est basée sur une régulation de courant, associée à un calcul de la valeur moyenne de la tension sur la ligne inductive. La régulation du courant est réalisée par un correcteur proportionnel intégral (associé à un anti-windup). Le choix des paramètres est basé sur les critères fréquentiels suivants : – Marge de phase : 60° ; – Fréquence de coupure : 600Hz ; Ceci nous permet un fonctionnement loin de toute instabilité sur la régulation du courant. En effet, nous introduirons un filtrage sur la mesure du courant régulé avec une fréquence de coupure placée à 2kHz. La fréquence de coupure est placée de façon à ne pas trop ralentir la bande passante globale du courant. La validation expérimentale de cette boucle de courant est difficile puisque notre loi de commande en puissance est basée sur la mesure de courant mais également sur les mesures des tensions qui disposent d’un filtrage à 400 Hz.

Validation de la fonction

Nous nous plaçons dans la configuration décrite par la figure III.9. Les deux barres de distribution HVDC sont alimentées par des sources alternatives placées en aval d’un pont redresseur à 6 diodes. Chaque générateur alimente ainsi une charge résistive de 10kW et 8kW situées sur les côtés gauche et droit respectivement. G Côté Gauche Charge G Côté Droit G HVDC G HVDC D Charge D Transfert de 8 kW de G de 8 kW de G vers D Transfert de 10 kW de D vers G DCPFC T1 figure III.9 : fonctionnement du DCPFC en transfert de puissance contrôlé L’essai consiste à réaliser un transfert de puissance contrôlé de 8kW de la barre HVDC gauche vers la barre HVDC droite puis d’inverser le sens du transfert et de réaliser un essai à pleine puissance (10kW pour notre équipement) de HVDC droite vers HVDC gauche. Les résultats de cet essai sont donnés sur la figure III.10 pour la simulation et sur la figure III.11 pour les essais expérimentaux. Courants fournis par les générateurs (A) Droite Gauche T1 Essai expérimental figure III.10 : résultats d’essais du transfert de puissance contrôlé (simulations) figure III.11 : résultats d’essais du transfert de puissance contrôlé (essais expérimentaux) Dans le cadre de la simulation, les sources de tensions sont des sources continues. De plus, sur le DCPFC réel, il existe un filtrage des références de courants pour adoucir les transitoires, ce qui explique l’absence d’ondulations de courants, celles-ci provenant du redressement par un pont de diodes présent sur notre banc d’essais. Les figures montrent la réversibilité en courant (et donc en puissance) du DCPFC. De plus, on note le temps de changement du signe du courant : il est ici de l’ordre de la dizaine de millisecondes. Sur les relevés provenant de la simulation, on observe des oscillations au moment du changement de signe ainsi qu’un pic de courant. Or, ces phénomènes ne se reproduisent pas sur les relevés expérimentaux. Ceci s’explique par le manque de représentativité de notre source de tension redressée. Concernant le comportement statique de notre DCPFC, les 2 essais correspondent et les courants mesurés sont similaires. Ceci montre donc la viabilité du modèle et nous permettra une utilisation confiante lors des futurs essais.

Possibilité d’amélioration

A partir du mode de transfert de puissance contrôlé, nous décidons de réaliser un essai mettant en relation le DCPFC et un superviseur général du réseau qui surveille les courants fournis par les générateurs. Le but de cette manœuvre est de réaliser une égalisation des puissances fournies par les générateurs quelques soient les puissances consommées sur les barres de distribution HVDC. Ceci est schématisé sur la figure III.12 : Chapitre III 90 G Côté Gauche Charge G Côté Droit G HVDC G HVDC D Charge D Connexion du DCPFC avec une référence de puissance nulle Egalisation des puissances fournies par les générateurs DCPFC T1 Time Pload Time Pload figure III.12 : fonctionnement du DCPFC en mode « égalisation des puissances de génération » Afin de réaliser cet essai, nous faisons varier la référence de puissance du DCPFC en fonction des puissances consommées par les charges et celles fournies par les générateurs. L’équation régissant cette référence est donnée par (III-14) : = − G Ch P D Ch P 2 ref 1 tr P (III-14) Le choix a été fait de réaliser l’équilibrage sur les mesures de puissance et non de courant. Il est bien sûr possible de le faire dans ce deuxième cas mais le fait de traiter les puissances correspond plus à la philosophie du chapitre suivant donnant un modèle d’échange énergétique dans un réseau. Les résultats d’essais expérimentaux sont donnés sur la figure III.13 et la figure III.14 .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Evolution des réseaux aéronautiques
I.1 Le projet M.O.E.T
I.1.1 Description du projet
I.1.2 Participation de la thèse dans le cadre du projet
I.2 Besoins énergétiques dans les avions
I.2.1 Equipements de génération
I.2.1.1 Réacteurs
I.2.1.2 APU
I.2.1.3 Groupes de parc
I.2.1.4 Batteries
I.2.1.5 RAT
I.2.1.6 Conclusions sur les sources énergétiques
I.2.2 Le réseau hydraulique
I.2.2.1 Commandes de vol
I.2.2.2 Freinage
I.2.3 Le réseau pneumatique
I.2.3.1 Conditionnement d’air & pressurisation
I.2.3.2 Dégivrage et antigivrage
I.2.3.3 Démarrage moteur
I.2.4 Le réseau électrique
I.2.4.1 Calculateurs
I.2.4.2 Dégivrage pare-brise
I.2.4.3 Pompes à carburant
I.2.4.4 Divers
I.3 Evolution vers des avions plus électriques (de l’A380 à l’A30X)
I.3.1 Raisons du changement : les avantages d’une distribution électrique
I.3.1.1 Hydraulique VS Electrique
I.3.1.2 Pneumatique VS Electrique
I.3.1.3 Résumé de la comparaison entre les différentes distributions
I.3.2 Incidences sur le réseau électrique
I.3.2.1 Le passage à la fréquence variable
I.3.2.2 Actionneurs électriques de commande de vol
I.3.2.3 Transition vers les disjoncteurs électroniques
I.3.3 Vers le « bleedless »
I.3.3.1 Gains envisagés par la suppression du pneumatique
I.3.3.2 Impacts sur les autres types d’énergies (répartition des charges)
I.4 Prochaines étapes de la génération et de la distribution électrique
I.4.1 Evolution de la puissance embarquée (vers le MW électrique)
I.4.1.1 Bilan électrique du passage au bleedless
I.4.1.2 Niveaux de tension possibles
I.4.2 Possibilités offertes par l’électronique de puissance
I.4.3 Quelques contraintes à lever
I.4.3.1 Critères techniques
I.4.3.2 Critères économiques
I.5 Conclusions
Chapitre II Vers des réseaux électriques embarqués maillés
II.1 Problèmes liés aux nouveaux modes de distribution
II.1.1 La qualité dans la distribution continue
II.1.1.1 Présentation de la qualité
II.1.1.2 Fonctionnement normal : impact d’une variation de charge sur la tension
II.1.1.3 Fonctionnement anormal : reprise de barre
II.1.1.4 Extrapolation sur un réseau embarqué aéronautique
II.1.1.5 Conclusion sur la qualité réseau
II.1.2 Les autres problèmes
II.1.2.1 La stabilité
II.1.2.2 La compatibilité électromagnétique (C.E.M.)
II.1.2.3 Le choix du régime de neutre et des protections associées
II.1.2.4 La sélectivité des protections
II.2 Possibilités d’amélioration et solutions proposées
II.2.1 Réduction des distances entre générateurs et consommateurs
II.2.1.1 Approfondissement de l’étude d’un point de vue énergétique.
II.2.1.2 Déplacement des cœurs électriques (HVDC
II.2.2 Vers le maillage du réseau embarqué
II.2.2.1 Description des réseaux de transports électriques
II.2.2.2 Définition des équipements pour le maillage
II.3 Conclusions
Chapitre III Etude des équipements du réseau maillé
III.1 DCPFC
III.1.1 Présentation de l’équipement
III.1.1.1 Description
III.1.1.2 Stratégie de gestion
III.1.1.3 Intégration au sein du réseau HVDC
III.1.2 Mode transfert de puissance contrôlé
III.1.2.1 Stratégie de contrôle de la puissance
III.1.2.2 Validation de la fonction
III.1.2.3 Possibilité d’amélioration
III.1.3 Mode régulation de tension
III.1.3.1 Boucle de régulation en tension
III.1.3.2 Validation de la fonction
III.2 MAPFC
III.2.1 Présentation de l’équipement
III.2.1.1 Description
III.2.1.2 Principe du découplage des fonctions
III.2.1.3 Méthode de contrôle du système
III.2.1.4 Bilan de la commande du MAPFC
III.2.1.5 Eléments de comparaison avec une topologie d’onduleur triphasée classique
III.2.1.6 Intégration au sein du réseau HVDC
III.2.2 Validation fonctionnelle
III.2.2.1 Régulations des courants et du mode mécanique
III.2.2.2 Validation du fonctionnement en moteur et générateur
III.2.2.3 Déséquilibre de la puissance électrique entre les côtés gauche et droit
III.2.3 Utilisation dans un contexte de réseau embarqué
III.2.3.1 Mode de régulation d’une tension HVDC
III.2.3.2 Equilibrage des puissances fournies par deux générateurs
III.3 Conclusion sur les équipements présentés
Chapitre IV Approches envisageables pour la gestion de l’énergie au sein d’un réseau maillé
IV.1 Constitution et modélisation du réseau maillé
IV.1.1 Présentation du banc d’essais
IV.1.1.1 Equipements pris en compte
IV.1.1.1.a Cœurs électriques et contacteurs
IV.1.1.1.b Générateurs
IV.1.1.1.c Charges
IV.1.1.1.d DCPFCs
IV.1.1.2 Moyens de gestion
IV.1.1.2.a Choix de la communication
IV.1.1.2.b Architecture modulaire
IV.1.1.2.c Hiérarchisation de la gestion énergétique
IV.1.1.2.d Outils de programmation
IV.1.2 Vers un modèle haut niveau pour la gestion des flux énergétiques
IV.1.2.1 Introduction aux systèmes énergétiques gérés par la théorie des graphes
IV.1.2.1.a Réseaux de transport
IV.1.2.1.b Considérations économiques
IV.1.2.2 Théorie et notations relatives aux graphes
IV.1.2.2.a Nomenclature utilisée dans les graphes
IV.1.2.2.b Analogie pour l’étude des réseaux.
IV.1.2.3 Application du formalisme au réseau maillé du LAPLACE
IV.1.2.4 Bilan sur la modélisation par la théorie des graphes et ses limites d’utilisation
IV.2 Méthodes de management énergétiques proposées
IV.2.1 Gestion des transferts de puissance par la théorie des graphes
IV.2.1.1 Mise en équation du problème
IV.2.1.1.a Présentation des problèmes de flots
IV.2.1.1.b La recherche d’un flot maximal à coût minimal
IV.2.1.2 Description de l’algorithme choisi
IV.2.1.2.a Présentation de l’algorithme
IV.2.1.2.b Principes et subtilités de programmation
IV.2.2 Gestion des reconfigurations par un système expert
IV.2.2.1 Présentation des systèmes experts
IV.2.2.1.a Généralités sur les systèmes à base de connaissances
IV.2.2.1.b Présentation de CLIPS
IV.2.2.2 Règles de gestion et programmation en CLIPS
IV.2.2.2.a Définition des besoins
IV.2.2.2.b Liste des ensembles de règles
IV.2.2.3 Simulations de validation
IV.2.2.3.a Ensemble de règles n°1 : gestion des contacteurs uniquement
IV.2.2.3.b Ensemble de règles n°2 : gestion d’un réseau contenant des DCPFC
IV.2.2.3.c Ensemble de règles n°3 : application à notre réseau
IV.2.3 Essais expérimentaux
IV.2.3.1 Scénario 1 : impacts de charge
IV.2.3.2 Scénario 2 : perte d’un générateur
IV.3 Conclusion sur la gestion énergétique
Chapitre V Extrapolation des concepts sur les réseaux existants
V.1 Proposition d’une architecture maillée sur un réseau avion
V.1.1 Choix d’une architecture de distribution
V.1.1.1 Architecture de référence
V.1.1.2 Equipements à prendre en compte
V.1.1.3 Présentation de l’architecture
V.1.2 Etude critique de l’architecture
V.1.2.1 Comparaison en termes de masse
V.1.2.1.a Analyse des gains sur la génération
V.1.2.1.b Analyse des gains sur la pazie onduleur – machine
V.1.2.2 Gain fonctionnel : possibilité de réaliser une fonction « No-Break HVDC »
V.2 Intégration d’un DCPFC sur un réseau avion
V.2.1 Présentation d’une architecture réseau intégrant un DCPFC
V.2.2 Influence de la connexion du neutre des générateurs
V.2.2.1 Mise en évidence du problème avec des sources continues
V.2.2.2 Etude de la connexion des neutres des générateurs
V.2.3 Solutions proposées
V.2.3.1 Déconnexion d’un des neutres des générateurs
V.2.3.2 Passage à un régime IT
V.2.3.3 Réseau HVDC avec connexion du neutre au point bas
V.2.3.4 Nouvelles structures de liens actifs
V.3 Conclusion
Conclusions générales et perspectives
Annexe A Caractéristiques électriques du DCPFC
A.1 Caractéristiques de la partie commande
A.2 Caractéristiques de la partie puissance
Annexe B Caractéristiques électriques du MAPFC
B.1 Caractéristiques de la partie commande
B.2 Caractéristiques de la partie puissance
Annexe C Prise en compte du déséquilibre des tensions de bus
dans la commande du MAPFC
Annexe D Synthèse des points de fonctionnement du MAPFC testés expérimentalement
Annexe E Caractéristiques du système dSpace
Annexe F Schémas électriques du banc d’essai HVDC
F.1 Partie puissance du banc d’essai
F.2 Partie commande du banc d’essai
F.3 Parties puissance et commande des générateurs
Bibliographie