Sujet 6. Titre: Etude et analyse des performances d une Chaîne de Conversion d Energie Marine dans le cas d un réseau perturbé

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1 Sujet 6 Titre: Etude et analyse des performances d une Chaîne de Conversion d Energie Marine dans le cas d un réseau perturbé Directeur de thèse Co-encadrant éventuels Co-encadrant éventuels Financement envisagé Nom téléphone Unité de recherche (avec sa labellisation) Unité de rattachement (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours Nom téléphone Unité de recherche (avec sa labellisation) Unité de rattachement (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours Nom téléphone Unité de recherche (avec sa labellisation) Unité de rattachement (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours Machmoum Mohamed mohamed.machmoum@univ-nantes.fr IREENA (EA 4642) Polytech Nantes 2 Aït-Ahmed Nadia nadia.ait-ahmed@univ-nantes.fr IREENA EA 4642 Polytech Nantes 0 Luc Moreau Luc.morea@univ-nantes.fr IREENA EA 4642 Polytech Nantes 2

2 Résumé /Abstract du sujet de la thèse (3 à 5 lignes) Résumé: L objectif de la thèse est l amélioration des performances de systèmes éoliens offshore ou hydroliens dans le cas d un réseau perturbé. L accent sera mis sur le dimensionnement énergétique sur cycle de la chaîne de conversion, le choix d une architecture tolérante aux défauts, l identification des perturbations en tension (creux, déséquilibre, Flicker, harmoniques ) et l élaboration de stratégies de commande avancées permettant un contrôle efficace découplé des puissances tout en participant aux services systèmes (Grid codes). Abstract: The objective of this thesis is the enhancement of a Marine Renewable Energy converter based on a Double Salient Permanent Magnet Generator DSPMG considering unbalanced and distorted voltages conditions. Emphasis will be placed on: the energetic design of the conversion chain, the choice of tolerant fault architecture, the identification of voltage disturbances (dips, imbalance, Flicker, harmonics...) and the development of advanced control strategies for effective decoupled active and reactive power control and

3 Descriptif du sujet de thèse (2 pages au maximum) Etude et analyse des performances d une Chaîne de Conversion d Energie Marine dans le cas d un réseau perturbé Contexte : Dans le cadre du paquet énergie-climat, la France s est fixé un objectif de production d électricité d origine marine de l ordre de 6000 MWh à l échéance Différents projets sont en cours dans le grand ouest dont l ambition est de positionner durablement ces régions comme zones d excellence dans l étude et le développement des énergies éoliennes offshore ou hydroliennes. Ces projets visent à améliorer la compétitivité de ces filières où un gisement important en termes de recherche et d innovation existe à la fois au niveau de l amélioration des performances de la chaîne de conversion et de l intégration et gestion de fermes. Objectifs : Les dispositifs éoliens ou hydroliens à vitesse variable ont reçu une attention particulière vu qu ils permettent d assurer un contrôle efficace et découplé des puissances active et réactive et d améliorer la qualité de l énergie. Les turbines modernes ne sont plus seulement contrôlées pour apporter la puissance active nécessaire via une stratégie MPPT donnée mais doivent participer aussi à l amélioration de l onde tout en soutenant le réseau en présence de défauts. Pour cela, les degrés de liberté des convertisseurs statiques doivent être exploités et des stratégies de commande avancées doivent être élaborées pour conditionner l énergie en compensant les perturbations électriques (creux de tension, déséquilibre, harmoniques ) et en répondant aux exigences du gestionnaire du réseau en participant aux services systèmes (stabilité, contrôle de la fréquence, amortissement des oscillations et tolérance vis-à-vis des défauts réseau). Ce sujet de thèse s insère dans la continuité des travaux menés au sein du laboratoire IREENA sur les systèmes éoliens offshore ou hydroliens, notamment dans le cadre du projet Hydrol 44. L étude sera principalement axée sur une chaîne de conversion d énergie à base d une machine lente non conventionnelle de type synchrone à aimant permanent à double saillance (DSPMG), tolérante aux défauts et permettant de s affranchir totalement ou partiellement du multiplicateur de vitesse. Elle concernera le

4 dimensionnement, la modélisation et la commande robuste de la chaîne de conversion en présence de défauts ou perturbations réseau. Les étapes de l étude sont : - Etude bibliographique et analyse comparative de différentes génératrices : DSPMG, MSPS et MRV. - Modélisation et dimensionnement énergétique sur cycle de la chaîne de conversion (génératrice + convertisseurs statiques) prenant en compte la variabilité de la ressource : probabilité d apparition de vitesse du courant marin et des puissances associées. - Analyse et choix des interfaces de l électronique de puissance adaptés à l ensemble hélice génératrice de type DSPMG avec prise en compte de l aspect redondance, tolérance aux défauts et reconfigurabilité. - Elaboration et test de lois de commande avancées permettant un contrôle découplé des puissances active et réactive tout en améliorant la qualité de l onde et en minimisant les ondulations de couple. - Identification et caractérisation de la chaîne de conversion dans le cas de réseau perturbé et élaboration de lois de commande appropriées. Les algorithmes développés devraient permettre de tirer avantage de l excès de capacité de génération de puissance du convertisseur statique (côté machine ou côté réseau) pour le doter de fonctions qualité. En fonction des priorités, le convertisseur pourra compenser le réactif et les éventuelles perturbations électriques telles que courants harmoniques, déséquilibre des tensions réseaux ou l effet Flicker (tenue aux creux de tension) assurant la conformité avec les Grid Codes. - Mise en œuvre du banc d essais en cours de réalisation à échelle réduite dans la cadre du projet hydrol44. Ce banc servira d abord pour valider le modèle de la DSPMG (caractéristiques externes couple, fem.) puis tester et analyser les performances des lois de commande en mode réseau sain ou perturbé. - Cette chaine de conversion pourra être simplifiée pour l étude d un parc hydrolien à base de DSPMG et l analyse de son intégration sur le réseau.

5 CV du directeur de thèse (1 page maxi) Mohamed MACHMOUM 53 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 de l encadrant (1 page maxi) Nadia Aït-Ahmed 50 ans Maître de conférences (Polytech Nantes), 61 ème section Thèmes de recherche nature de l activité scientifique La problématique de recherche concerne l étude, la commande et l optimisation et la maîtrise de chaînes de production d énergie renouvelable par hydroliennes. Enseignements : Enseignement d automatique et d informatique industrielle au sein du Département Génie Electrique et du Département Maîtrise Des Energies (formation par apprentissage) de Polytech Nantes Principales responsabilités pédagogiques et administratives Responsable du parcours PEIP-D de polytech Nantes en partenariat avec le département MP de l IUT de Saint-Nazaire. Responsable pédagogique au sein du département MDE de polytech nantes (formation par apprentissage). Productions: [ACL 1] MEKRI F., MACHMOUM M., AIT-AHMED N., "New Hysteresis control band of a unified power quality conditioner", Electric Power System Research, vol. 81, pages , [ACL 2] MEKRI F., MACHMOUM M., AIT-AHMED N., MAZARI B., "A comparative study of voltage controllers for series active power filter", Electric Power System Research, vol. 80, num. 6, pages , jun [ACTI 1] CHEN H., AIT-AHMED N., MOREAU L., MACHMOUM M., ZAIM M.E., "Current Supply Waveforms of Doubly Salient Permanent Magnet Generator (DSPMG)", IEEE International Power Electronics and Application Conf. and Exposition, PEAC, Shanghai, China, nov [ACTI 2 ] CHEN H., MACHMOUM M., AIT-AHMED N., ZAIM M.E., SCHAEFFER E., "Marine Current Energy: Concepts, Technological Challenges and Study of an Innovative Conversion Chain", COFMER, Colloque franco-marocain sur les Energies Nouvelles et Renouvelables, Rabat, Morocco, oct [ACTI 3] CHEN H., AIT-AHMED N., MACHMOUM M., ZAIM M.E., SCHAEFFER E., "Modeling and current control of a Double Salient Permanent Magnet Generator (DSPMG)", EPE, Lille, France, sep [ACTI 4] CHEN H., AIT-AHMED N., ZAIM M.E., MACHMOUM M., "Marine tidal current systems: State of the art", ISIE, Hangzhou, China, may [ACTI 5] LI Y., AIT-AHMED M., AIT-AHMED N., SHI W., ZHOU Z., "LQR Control Speed and Voltage of Synchronous Alternator", ICICTA, International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, Changsha, China, may 2011

7 CV de l encadrant (1 page au maximum) Luc MOREAU 36 ans Grade : MC Emploi actuel : Enseignant-Chercheur à l IREENA et à Polytech Nantes Expériences professionnelles : Enseignements: Enseignements d électronique, d électronique de puissance et de conception de machines tournantes au département Génie Electrique de Polytech Nantes, en classe préparatoire intégrée et au CNAM. Recherche : Thèmes de recherche : Modélisation et optimisation d ensemble convertisseur machine : Thèse de doctorat de l université de Nantes ; Modélisation, conception et commande de génératrices à réluctance variable basse vitesse : Post-doctorat au L2EP (Ecole Centrale de Lille) en collaboration avec Schneider Electric sur le thème filtrage hybride série à 2012 : Encadrement master recherche (Système Electronique et Génie Electrique): W. Moriceau, «Etude d une machine polyentrefers dédiée aux applications éoliennes», soutenu en septembre 2011, Polytech Nantes, Université de Nantes. Encadrement de thèses : Septembre 2011 (prise de poste) ; Modélisation et conception de génératrice lentes pour hydrolienne. Septembre 2012; Study of tidal energy conversion system. Publications (ou brevets) les plus significatives des cinq dernières années : [B1] L. Moreau, P. Rigaud, T. Verchere, "Assembly Operating in a Variable Regime", WO A1, publication date: August. 23, [ACL1] L. Moreau, M. Machmoum, M.E. Zaïm, Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High Torque Application, Electric Power Components and Systems, 2014, Taylor and Francis Journal. [ACTI 1] L. Moreau, M.E. Zaïm, M. Machmoum, Electromagnetic Design Optimization of a Low Speed Slotted Switched Reluctance Machine using Genetic Algorithm, ICEM 2012, Marseille, September [ACTI 2] N. Harkati, L. Moreau, J. F. Charpentier, M.E. Zaïm, Low speed doubly salient permanent magnet generator with passive rotor for a tidal current turbine, ICRERA, September [ACTI 3] J. Zhang, L. Moreau, J. Guo, M. Machmoum, "Joint Optimization of Electromagnetic Structure and Control of a Double Stator Permanent Magnet Generator for Tidal Energy Applications Current Applications", IEEE International Power Electronics and Application Conf. and Exposition, PEAC, Shanghai, China, nov