Résumé du sujet de la thèse (3 à 5 lignes)

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1 Sujet No 6 Titre : Mise en œuvre de lois de gestion de l'énergie adaptatives tenant compte de la dégradation ou défaillance des organes de production et de stockage - Application à un système multi-sources pour site isolé Directeur de thèse Nom MACHMOUM Mohamed mohamed.machmoum@univnantes.fr Unité de recherche IREENA EA 4642 (avec sa labellisation) Unité de rattachement Polytech Nantes Co-encadrant Nom OLIVIER Jean-Christophe jean-christophe.olivier@univnantes.fr Unité de recherche IREENA EA 4642 (avec sa labellisation) Unité de rattachement Université de Nantes, IUT de Saint- Nazaire Co-encadrant Nom BOURGUET Salvy Unité de recherche (avec sa labellisation) Unité de rattachement Salvy.bourguet@univ-nantes.fr IREENA EA 4642 Polytech Nantes Co-encadrant Nom CHAUVEAU Eric Unité de rattachement eric.chauveau@eseo.fr ESEO Angers Résumé du sujet de la thèse (3 à 5 lignes) Le travail proposé dans cette thèse entre dans le cadre de la mise en place d'une plateforme expérimentale dédiée à la production d'énergie électrique multi-sources. Ce travail est fortement soutenu par la région Pays de la Loire et notamment dans le cadre du RFI WISE qui vise à faire monter en compétence les différents secteurs de l'électronique et de l'énergie en région. Le laboratoire IREENA pilote l'axe 'Smart Power' de ce RFI, et un financement de thèse est prévu pour la rentrée Cette thèse s'oriente donc vers la production d'énergie électrique multi-sources, et plus particulièrement sur l'étude de l'architecture et de la gestion de l'énergie. Le cœur du système investigué sera composé de panneaux photovoltaïques couplés à un ou plusieurs organes de stockage, et intégrera une pile à combustible. Nous chercherons à proposer des solutions originales de pilotage de ce système multi-sources, tenant compte notamment des problèmes de vieillissement des différents organes, voir même de la perte éventuelle d'un ou de plusieurs d'entre eux.

2 Descriptif du sujet de thèse Financement attendu : Thèse financée par la Région PdL, dans le cadre de l'appel à projet du RFI WISE Les objectifs actuels de réduction des émissions de gaz à effet de serre pour 2020 poussent l ensemble des filières industrielles à développer des solutions de production d énergie décarbonée. Les sources d énergie électrique renouvelable vouées à se développer à moyen terme sont le photovoltaïque et l éolien. Plus particulièrement, l intégration de sources d énergie renouvelables dans l habitat est un enjeu environnemental fort, et notamment la production photovoltaïque du fait de sa facilité d intégration sur des bâtiments neufs ou réhabilités. Or, il se trouve que ces modes de production sont par nature répartis, décentralisés et en lien avec la disponibilité de la ressource. S ajoute à cela la nature intermittente de la ressource renouvelable qui rend difficile toute prédiction de la production à moyen terme. Le déploiement de nouvelles infrastructures de réseaux électriques doit donc intégrer en amont cette nature intermittente des énergies renouvelables. Les différentes améliorations en cours d investigation visent donc à accroître la flexibilité du réseau de production d électricité, par une gestion intelligente de l énergie et par l intégration de nouveaux systèmes de stockages. Ces derniers participeront inévitablement au développement des énergies renouvelables en offrant la flexibilité nécessaire à l échelle du réseau. Ainsi, l énergie électrique produite pourra être stockée en période de faible consommation ou de surproduction, et pourra être réinjectée sur le réseau à la demande. Les réseaux de production d énergie électrique de demain, également appelés Smart-Grids, seront donc complexes, décentralisés et flexibles. Dans ce contexte, les systèmes de production d énergie hybride (mixte énergétique) offrent une problématique scientifique intéressante et un cadre prospectif propice pour l intégration de progrès technologiques et le déploiement de systèmes à énergies renouvelables. L enjeu reste la mise en adéquation de la production et la consommation, l amélioration de l efficacité énergétique, la recherche de modèles technico-économique pertinents et le choix de technologies de conversion ENR et de solutions de stockage adéquates. L objectif de ce projet consiste à optimiser le dimensionnement, l'architecture et la gestion d énergie d un micro-réseau multi-sources pour site isolé. Les modèles de ses différents composants intégreront des critères énergétiques, de coût et environnementaux. Des stratégies de gestion d énergie en adéquation avec l application et prenant en compte différents critères tels que le vieillissement des composants ou l amélioration de la qualité de fourniture (continuité de service, qualité de l onde,...) seront élaborées. Outre ces différents aspects, un effort important sera porté sur la flexibilité du microréseau mis en œuvre, qui devra être capable de s'adapter à la plus grande diversité possible de sources et d'organes de stockages différents. De même, l'architecture proposée devra être capable de fonctionner en mode dégradé, i.e. en l'absence d'un ou plusieurs organes du réseau dû par exemple à un vieillissement prématuré. La validation expérimentale s appuiera sur la plateforme de l'axe Smart Power du RFI WISE. Cette dernière intégrera des sources intermittentes (panneaux photovoltaïques, éolien), une pile à combustible et un système de stockage hybride (batteries, super-condensateurs), l ensemble alimentant des charges résidentielles selon l'architecture générale présentée par la figure 1.

3 Figure 1 - Exemple de plateforme multi-sources pouvant servir de support dans le cadre de ce projet. Description du programme scientifique 1) Etude bibliographique sur les lois de gestion de l'énergie et les structures modulaires de conversion (8 mois) Dans cette première partie, nous dresserons un état de l'art sur les différentes lois de gestion de l'énergie rencontrées dans le cadre d'applications de systèmes de production multi-sources à énergie renouvelable. Nous chercherons à identifier des algorithmes de commande capables de fonctionner sur des architectures électriques reconfigurables et acceptant des modes dégradés. Dans ce sens, un deuxième travail bibliographique consistera à regarder les solutions de conversion existantes autour des problématiques de reconfiguration et de tolérance aux défauts. 2) Etude d'une architecture de production multi-sources tolérante aux défauts et reconfigurable (14 mois) Cette seconde partie du travail de thèse traite du choix de la topologie des convertisseurs statiques, capable d'assurer un fonctionnement en mode dégradé, pouvant être lié notamment au vieillissement prématuré d'un organe de production ou de stockage d'énergie. Cette topologie devra être suffisamment générique pour fonctionner sur un éventail d'organes le plus large possible (batterie, pile à combustible, panneaux photovoltaïques, supercondensateurs,...). Nous mettrons alors en place les lois de gestion de l'énergie adéquates, capable de fonctionner sur une architecture reconfigurable et tolérant la perte et l'interchangeabilité

4 d'un ou de plusieurs organes. Ce travail s appuiera essentiellement sur des simulations numériques et sur des modèles analytiques. 3) Mise en œuvre et validation expérimentale (8 mois) Cette troisième partie consistera à mettre en œuvre cette architecture de production d'énergie électrique pour un habitat isolé. Cette validation expérimentale s'appuiera sur les ressources matérielles et logicielles du micro réseau intelligent en cours de développement au laboratoire IREENA, développé notamment dans le cadre du RFI Electronique. Cette dernière étape devra permettre de valider le concept de reconfiguration et de tolérance aux défauts du système de production, ainsi que la bonne gestion des échanges d'énergie entre les différents éléments du réseau. 4) Rédaction et valorisation (6 mois) Un travail de valorisation sera mené en parallèle des trois parties citées précédemment, au travers de la participation à des colloques nationaux et internationaux, à la participation à des GdR et à la publication des travaux dans des revues internationales à comité de lecture. Les 6 derniers mois seront pleinement consacrés à la rédaction du manuscrit de thèse et à la préparation de la soutenance. Références : A. Bouabdallah, J.C. Olivier, S. Bourguet, M. Machmoum, E. Schaeffer, Safe sizing methodology applied to a standalone photovoltaic system, Renewable Energy, Volume 80, August 2015, Pages S. Trieste, S. Hmam, J.-C. Olivier, S. Bourguet, L. Loron, Techno-economic optimization of a supercapacitor-based energy storage unit chain: Application on the first quick charge plug-in ferry, Applied Energy, Volume 153, 1 September 2015, Pages 3-14 O.Dahmani, S. Bourguet, M. Machmoum, P. Guerin, P. Rhein, L. Josse, Optimization of the Connection Topology of an Offshore Wind Farm Network, IEEE Systems Journal, jun M. Merhy, C. Morel, E. Chauveau, M. Machmoum, "Reducing the Spectral Emissions of PFC Converters by Anticontrol of Chaos." International Journal of Power Electronics and Drive Systems Volume 3, Issue 2, 2013, Pages S. Chevalier, D. Trichet, B. Auvity, J.C. Olivier, C. Josset, M. Machmoum, Multiphysics DC and AC models of a PEMFC for the detection of degraded cell parameters, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 38, Issue 26, 30 August 2013, Pages Y. Yuan, M. Machmoum, S. Bourguet, N. Amelon, A Novelty Control Strategy for the Photovoltaic Supercapacitor and Battery Hybrids Storage System, In Advanced Materials Research, Vol. 301, September 2011, Pages M. Merhy, E. Chauveau, C. Morel, M. Machmoum, Modeling and simulation of a peak current controlled PFC converter in chaotic regime, ICEM, Roma, Italy, September 2010

5 CV du directeur de thèse (1 page au maximum) Mohamed MACHMOUM 54 ans Professeur des Universités (Polytech Nantes), PR2, 63 ème section Ingénieur Industriel en Génie Electrique, Liège, Belgique (1984) Docteur de l INPL (Lorraine), 1989 Habilité à diriger des recherches, IREENA, Polytech Nantes, 2004 Thèmes de recherches : - Qualité de l énergie électrique - Systèmes à Energies Renouvelables (éolien, hydrolien ) - Intégration énergétique (smarts grids, stockage et mix énergétique) Activités d Enseignement : Enseignement d électrotechnique analytique, qualité de l énergie et réseaux électriques en Master Recherche SEGE et dans le double master Franco-Chinois (enseignement en Anglais). Enseignement machines électriques, électronique de puissance, signaux, systèmes et circuits électriques pour les élèves du département GE de Polytech Nantes. Publications Revues depuis 2013 : [ACL 1] BOUABDALLAH A., OLIVIER J.C., BOURGUET S., MACHMOUM M., SCHAEFFER E. "Safe sizing methodology applied to a standalone photovoltaic system", Renewable Energy, 2015 [ACL 2] DAHMANI O., BOURGUET S., MACHMOUM M., GUERIN P., RHEIN P., JOSSE L., "Optimization of the Connection Topology of an Offshore Wind Farm Network", IEEE Systems Journal, jun [ACL 3] DAHMANI O., BOURGUET S., MACHMOUM M., GUERIN P., RHEIN P., JOSSE L., "Evaluation of Optimal Collection System and Positions of Offshore Power Substations of an Offshore Wind Farm", European Journal of Electrical Engineering (EJEE), 2014 [ACL4] BOUTOUBAT M., MOKRANI L., MACHMOUM M., "Full Capability of Harmonic Current Mitigation for a Wind Energy System", Electric Power Components and Systems, vol. 42, num. 15, pages , 2014 [ACL 5] CHEVALIER S., AUVITY B., OLIVIER J.C., JOSSET C., TRICHET D., MACHMOUM M., "Detection of cells state-of-health in pem fuel cell stack using EIS measurements coupled with multiphysics modeling", Fuel Cells, 2014 [ACL 6] MOREAU L., ZAIM M.E., MACHMOUM M., "Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High-torque Applications", Electric Power Components and Systems, Taylor and Francis Jo, ISBN: print/ on line, 2014 [ACL 7] CHEVALIER S., TRICHET D., AUVITY B., OLIVIER J.C., JOSSET C., MACHMOUM M., "Multiphysics DC and AC models of a PEMFC for the detection of degraded cell parameters", International Journal of Hydrogen Energy, doi : 10,1016/j.ijhydene , 2013 [ACL 8] MERHY M., MOREL C., CHAUVEAU E., MACHMOUM M., "Reducing the Spectral Emissions of PFC Converters by Anticontrol of Chaos", International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), jun [ACL 9] BOUTOUBAT M., MOKRANI L., MACHMOUM M., "Control of a wind energy conversion system equipped by a DFIG for active power generation and power quality improvement", Renewable Energy, pages , feb [ACL 10] MACHMOUM M., BOUTOUBAT M., MOKRANI L., "Power Quality Improvement using Grid Side Converter of Wind energy Conversion Systems", Journal of Energy and Power Engineering, ISSN , 2013 [ACL 11] PETREUS D., DARABAN S., CIOCAN I., PATARAU T., MOREL C., MACHMOUM M., "Low cost single stage micro-inverter with MPPT for grid connected applications", Solar Energy, vol. 92, pages , 2013

6 CV des encadrants

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