Mesure rapide de la réponse fréquentielle à l'arrêt "F-SSFR" et saturation empirique des machines synchrones à pôles saillants

Cette thèse est une contribution aux récents efforts de détermination des paramètres électriques et d'amélioration de la représentation de la saturation des machines synchrones. La méthode d'essai de réponse fréquentielle à l'arrêt est une réponse adéquate au renforcement de la réglementation sur la détermination des paramètres électriques des alternateurs du réseau. Cependant, la complexité des mesures et de l'analyse des données, le manque de publications sur des machines de puissance ainsi que la durée jugée excessive continuent d'entraver l'adoption de la méthode au sein de la communauté des essais. La présente recherche enrichit la littérature avec quatre expériences de réponse fréquentielle à l'arrêt conduites, selon la norme IEEE-115, sur des machines à pôles saillants de grande puissance. Les machines choisies offrent une variété de conceptions avec rotor à amortisseurs discontinus, continus ou même dépourvue d'amortisseurs. Pour atténuer la contrainte de la durée des mesures, une fonction de transfert non classique est proposée en substitution de deux fonctions recommandées par la norme IEEE. L'adoption de cette fonction de transfert conduit à une réduction encore plus ambitieuse avec l'utilisation d'une nouvelle variante de la méthode de réponse fréquentielle à l'arrêt. La nouvelle approche rapide repose sur un développement théorique simple avec des approximations pratiques et des hypothèses heuristiques dont la validité est confirmée par la précision des paramètres électriques déduits. La technique de mesure rapide et l'analyse conséquente pour l'extraction des paramètres sont systématiques et à la portée du non spécialiste des machines. L'engouement pour améliorer la représentation de la saturation a conduit à l'émergence de nouveaux modèles commerciaux pour les machines synchrones. L'objectif principal étant d'améliorer la précision de simulation du courant de l'inducteur aux régimes permanent et transitoire. Ces efforts ont montré qu'il est prudent de recentrer le développement de nouveaux modèles sur les équations électromagnétiques classiques consenties dans la littérature. La saturation étant un phénomène hautement non linéaire et complexe à représenter, cette thèse a opté pour des méthodes empiriques simples et surtout faciles à intégrer aux modèles des machines synchrones existants. La nouvelle méthode empirique de saturation proposée pour le régime permanent est directement appliquée dans le domaine d-q.

Abstract

This thesis is a contribution to ongoing work on electrical parameters determination and saturation modeling improvements efforts for synchronous machines. Stand-Still Frequency Response test constitutes an appropriate response to the strengthening of regulations related to grid generators parameters determination. However, the complexity of measurements and data analysis, the lack of conclusive publications on large machines as well as the excessive test time duration continue to hamper the adoption of this test within testing community. This research enriches the literature with four Stand-Still Frequency Response tests conducted, according to IEEE-115 standard, on large salient pole machines. The chosen machines offer a variety of designs including rotors with discontinuous, continuous and even without damper windings. To reduce the constraint of excessive time test duration, a non-classical transfer function is proposed to replace two functions recommended by the IEEE standard. Adoption of this proposed transfer function leads to an even more ambitious time reduction with the use of a Fast Stand-Still Frequency Response variant. The new rapid approach is based on a simple theoretical development with practical approximations and heuristic assumptions. The suggested measurements technique and the consequent data analysis for parameters derivation are systematic and easily within the reach of the non-specialist. The main incentive behind emergence of new commercial synchronous machines models is to improve excitation current accuracy at steady-state and transient conditions. One of the important learned lessons is to keep the agreed upon classical electromagnetic equations at the center of any model development. Since saturation is a highly nonlinear and complex phenomenon, this thesis has opted for empirical saturation methods with a focus on simplicity and easiness of integration into existing standardized models. Therefore, a new empirical saturation method, directly applied in d-q domain, is proposed for the steady state regime. In contrast to the empirical methods in phase domain, it is based on a clear and simple reasoning justifying the use of no-load saturation curve for excitation current estimation at load condition. The thesis shows that a simple d-axis stator current re-scaling results in a practical and useful correlation between no-load and on-load d-axis saturation curves.