La problématique de la production d'énergie renouvelable, l'énergie du vent dans notre cas, est liée au réglage de l'amplitude et de la fréquence de la tension du générateur entraîné par l'éolienne. Ces réglages sont nécessaires pour injecter la puissance électrique produite sur le réseau électrique. Les avancées de l'électronique de puissance, en particulier les convertisseurs de puissances commandés (redresseur, onduleur, convertisseur boost, etc), ont aidé à résoudre ces problèmes de réglage. Le défi de la production éolienne est d'améliorer la stratégie de commande appliquée aux convertisseurs, afin d'augmenter la qualité de la puissance produite et de minimiser les pertes électriques et ainsi de réduire le coût de production. Dans cette thèse, nous avons développé la commande non linéaire fondée sur la platitude d'un système de production éolien et son couplage au réseau. Cette approche permet de faciliter la construction de la loi de commande. Nous avons exposé un réglage simple et intuitif des gains des contrôleurs, reposant sur très peu de paramètres. Les pertes électriques au stator du GSAP sont minimisées, la stratégie de MPPT est réalisée sur la partie de production. Le facteur de puissance de l'énergie injectée sur le réseau électrique est contrôlé à n'importe quelle valeur désirée comprise entre zéro et un. / The problem of the production of renewable energy, ``wind energy in our case'' is related to the adjustment of the amplitude and the frequency of the voltage of the generator driven by the wind turbine. These settings are required to supply the produced electrical power to an electrical network. The advancement of the power electronics used in the power converters (rectifiers, inverters, boost converters, etc.), helped to solve these two problems of adjustment. The challenge of wind generation is to improve the control strategy applied to the converters to increase the quality of the produced power and to minimize the electrical losses of the generator, and therefore to reduce the cost of production system. In this thesis, we developed the nonlinear flatness-based control of a wind generation system. This command is used to facilitate the construction of the control law. We have shown that this command allows the designer to choose the controller gains with few and intuitive tuning parameters. Electrical losses in the stator of the Permanent Magnets Synchronous Generator (PMSG) are minimized, the Maximum Power Point Tracking strategy (MPPT) is applied to the production system and the power factor of the apparent power injected to the grid is controlled to obtain any desired value between zero and one.

L'énergie éolienne jouant un rôle de plus en plus important dans le réseau électrique, elle ne peut plus être considérée comme une source d'énergie marginale. Par conséquent, l'impact sur le réseau de l'intermittence, inhérente à ce type d'énergie devient non négligeable. L'utilisation du stockage est une des principales solutions à ce problème d'intégration. Ce travail porte sur l'optimisation du système éolien/stockage en considérant la dynamique de l'éolien, la capacité de stockage et l'interaction avec le réseau. L'objectif consiste à répondre aux exigences du réseau en limitant les fluctuations, à fournir des services-systèmes tout en mettant en avant la rentabilité économique du système. La méthode de gestion proposée s'appuie sur deux niveaux de pilotage : l'anticipation et la gestion réactive. La première phase consiste à utiliser des informations de prévisions (météorologiques, contraintes du réseau, conditions du marché électrique...) afin de définir par avance le programme de fonctionnement optimal du système de stockage. La deuxième phase étudie le fonctionnement en temps réel, où le système doit faire face aux perturbations et respecter les règles du mécanisme d'ajustement. Le problème est complexe avec de nombreuses variables de contrôle discrètes et continues. La Programmation Mixte Linéaire (PML) est utilisée pour résoudre efficacement le problème. La stratégie de fonctionnement optimale proposée sera validée sur un simulateur hors temps réel et un simulateur en temps réel. / Wind energy playing an increasingly important role in the electrical network and it will no longer be considered as a marginal. Therefore, the impact on the electrical grid of its inherent intermittency becomes non-negligible. The use of storage means is one of key points in the integration problem. In this work, the optimization of the wind/storage system is addressed by considering the dynamics of the wind power, the storage capacity and the grid constraints. The main objective is to meet the grids requirements in limiting the fluctuations, providing possible ancillary services and highlighting the economic profitability of system. The proposed method relies on a two levels control approach: anticipation and reactive management. The first one consists in using forecast information (weather, grid constraints, electrical market conditions …) to define in advance the optimal operation schedule for the storage system. In the second one, on real time operation, the system has to deal with possible disturbances and take the right adjustment control with the actual capacity. The problem is complex with numerous discrete control variables and continuous ones. A mixed-integer linear programming (MILP) is used to efficiently solve the problem. The proposed optimal operation strategy will be validated with on an offline simulation (simulink/Matlab) and a real time simulator.

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.

L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de l'énergie éolienne au Liban et des problèmes de stockage qui y sont liés. Une analyse des caractéristiques du vent dans 14 sites libanais a été effectuée dans le but de sélectionner les sites optimaux pour l'implantation d'éoliennes. Après la sélection de ces cinq sites optimaux, le choix de l'éolienne adéquate et la détermination du nombre d'éoliennes qui pourrait être érigées dans chacun de ces cinq sites, une évaluation du potentiel éolien a été réalisée afin d'estimer la quantité d'électricité qui pourrait être produite par ces éoliennes. Les résultats montrent qu'il y a un excédent d'électricité produite par les éoliennes qui pourrait être enregistré pendant la nuit, ce qui nous a incités à travailler sur la conception et le dimensionnement d'un système de stockage hydraulique de l'énergie éolienne afin d'optimiser sa pénétration dans le réseau. Les cinq sites sélectionnés pour l'implantation d'éoliennes au Liban ont été soumis à la procédure d'évaluation et d'examen des impacts sur l'environnement, notamment sur le paysage et les oiseaux, ce qui aide à faciliter l'élaboration des projets prenant en compte tous les enjeux environnementaux. A la fin du travail, des pistes d'élaboration d'un règlement pour l'implantation d'éoliennes au Liban et une analyse économique du projet d'implantation d'éoliennes et d'un système de stockage ont été menées. / The objective of this thesis is to investigate of the development of the wind power in Lebanon and storage related issues. An analysis of wind characteristics at 14 Lebanese sites was carried out in order to select the optimal sites for the implementation of wind turbines. After the optimization procedure (5 sites in final), the choice of the appropriate wind turbine (in terms of capacity) and the determination of the number of wind turbines that could be erected in each of selected sites, an evaluation of the wind potential has been performed to estimate the level of electrical power that could be produced. The results show that there is an overproduction of electricity could be registered during the night, which prompted us to work on the design and dimensioning of a hydraulic storage of wind energy system to optimize its penetration into the grid. The five selected sites for the installation of wind turbines in Lebanon were subjected to the evaluation process and review of environmental impacts, particularly regarding landscape and birds, which helps to facilitate project development taking into account all environmental issues. At the end of the work, tentative regulations to erect wind turbines in Lebanon and an economic analysis of the wind project and implementation of a storage system have been proposed. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'introduction de production éolienne dans un réseau électrique, de par la nature stochastique du vent, impose au gestionnaire un investissement supplémentaire pour maintenir les réserves en capacité et les infrastructures rattachées afin de balancer les fluctuations de la filière éolienne. L'effet de lissage qu'induit la répartition des éoliennes sur un grand territoire, par son apport au crédit en capacité de la filière, peut être un facteur important de réduction de cet investissement. À l'aide de données recueillies au Québec, ce travail démontre la présence de lissage induit par la répartition des stations anémométriques et le quantifie, en termes de réduction de la variabilité des séries temporelles en vitesse du vent et en puissance. / When introducing wind power into an electricity grid, because of the stochastic nature of wind, investments must be made to insure capacity reserves and related infrastructures are available to balance the wind production fluctuations. Smoothing effect of geographically dispersed wind production may help minimize these investments by reducing variability of the wind production thus contributing to the wind power capacity credit. Based on measured wind speed data from Québec province, this study shows the existence of a smoothing effect induced by geographical dispersion of the measurement stations and quantifies it by means of reduced variability of the wind speed and power time series.

A partir des équations gouvernant le champ de vitesse, on peut non seulement s'attendre à un vent (fortement) non-gaussien, mais aussi à un vent présentant un comportement scalant. Par 'scalant' ou invariant d'échelle, nous faisons référence à un comportement statistique auto-similaire particulier; les cascades de tourbillons. Les multifractales stochastiques (avec des singularités et des co-dimensions multiples) reproduisent facilement le comportement scalant et les distributions de probabilités à queues épaisses omniprésentes dans le vent et dont la quantification est essentielle pour la communauté. Les quelques paramètres qui définissent ces modèles peuvent être déduits soit de considérations théoriques, soit de l'analyse statistique de données. Nous avons constaté que les approximations de flux basées sur le module du cisaillement du vent donnent des moments statistiques non-scalants et donc des estimations faussées des paramètres multifractals. La méthode DSF n'exige pas cette approximation et garantit un comportement scalant sur une certaine gamme d'échelles. Nous n'avons trouvé aucune estimation véritablement stable d'alpha en utilisant des méthodes standards. Ceci n'arrive plus quand nous optimisons localement (par la différenciation fractionnaire) le comportement scalant du DTM. Nous obtenons alors des estimations très stables de l'indice de multifractalité qui sont en outre en accord (alpha ≤ 2) avec des résultats publiés. Au contraire, les deux autres paramètres (C1 et H) deviennent des fonctions non-linéaires de l'ordre q des moments statistiques. Ces résultats suggèrent que le modèle UM isotrope ne peut être utilisé pour reproduire le cisaillement de vent dans la couche de surface atmosphérique. Lesdites hypothèses sont examinées en utilisant un repère tournant pour analyser l'anisotropie de la vitesse horizontale dans la couche de surface atmosphérique. Cela permet de quantifier la dépendance angulaire de l'exposant de Hurst. Les valeurs de cet exposant restent tout de même conformes aux résultats précédemment publiés. Pour des échelles de temps supérieures à quelques secondes, les deux jeux de données présentent une anisotropie scalante forte, qui décroît avec l'altitude. Nous mettons en évidence une expression analytique de la variation angulaire de l'exposant de Hurst, reposant sur les corrélations entre les composantes horizontales. Ceci pilote la formation des extrêmes du cisaillement, y compris dans le sillage d'une éolienne. Les cisaillements turbulents du vent sont si extrêmes que leur loi de probabilité est une loi de puissance. L'exposant correspondant (qD) est similaire pour les deux sites à une hauteur de 50m (4 ≤ qD ≤ 5), malgré des conditions orographiques très différentes. Nous discutons aussi de ses conséquences en analysant la stabilité de la couche limite atmosphérique et proposons une nouvelle méthode pour sa classification. Enfin, nous démontrons analytiquement que l'anisotropie augmente la probabilité des extrêmes. Ce résultat met en lumière un des nombreux mécanismes de turbulence possibles dans la couche de surface qui peut apparemment surproduire les cisaillements extrêmes du vent, s'ils sont étudiés dans le cadre des UM isotropes. Nous en analysons théoriquement les conséquences sur les estimations des paramètres multifractales par la méthode DTM. Les résultats analytiques obtenus sont en parfait accord avec les observations empiriques. Nous discutons alors de la prise en compte de toutes ces considérations pour faire des simulations multifractales des champs du vent dans la couche limite atmosphérique

Suite à un stage avec la compagnie Hatch, nous possédons des jeux de données composés de séries chronologiques de vitesses de vent mesurées à divers sites dans le monde, sur plusieurs années. Les ingénieurs éoliens de la compagnie Hatch utilisent ces jeux de données conjointement aux banques de données d’Environnement Canada pour évaluer le potentiel éolien afin de savoir s’il vaut la peine d’installer des éoliennes à ces endroits. Depuis quelques années, des compagnies offrent des simulations méso-échelle de vitesses de vent, basées sur divers indices environnementaux de l’endroit à évaluer. Les ingénieurs éoliens veulent savoir s’il vaut la peine de payer pour ces données simulées, donc si celles-ci peuvent être utiles lors de l’estimation de la production d’énergie éolienne et si elles pourraient être utilisées lors de la prévision de la vitesse du vent long terme. De plus, comme l’on possède des données mesurées de vitesses de vent, l’on en profitera pour tester à partir de diverses méthodes statistiques différentes étapes de l’estimation de la production d’énergie. L’on verra les méthodes d’extrapolation de la vitesse du vent à la hauteur d’une turbine éolienne et l’on évaluera ces méthodes à l’aide de l’erreur quadratique moyenne. Aussi, on étudiera la modélisation de la vitesse du vent par la distributionWeibull et la variation de la distribution de la vitesse dans le temps. Finalement, l’on verra à partir de la validation croisée et du bootstrap si l’utilisation de données méso-échelle est préférable à celle de données des stations de référence, en plus de tester un modèle où les deux types de données sont utilisées pour prédire la vitesse du vent. Nous testerons la méthodologie globale présentement utilisée par les ingénieurs éoliens pour l’estimation de la production d’énergie d’un point de vue statistique, puis tenterons de proposer des changements à cette méthodologie, qui pourraient améliorer l’estimation de la production d’énergie annuelle. / Following an internship with the company Hatch, we have access to datasets that are composed of wind speed time series measured at different sites accross the world and over several years. The wind speed engineers from Hatch are using these datasets jointly with Environment Canada databases in order to ascertain the wind energy potential of these sites and to know whether it is worth installing wind turbines there. For a few years, some companies are also offering mesoscale simulations of wind speed based on different environmental characteristics from the site we want to evaluate. We would like to know if it is worth paying for those mesoscale datasets and if they can be used to provide better estimations of the wind energy potential. Among other things, these data could be used to provide a better estimation of the long term mean wind speed. Since we already possess measured datasets, we will also use them to test, with statistical methods, the methodology currently used and the different steps leading to an estimation of the wind energy production. First of all, we will see what are the different methods that could be used to extrapolate wind speed to a wind turbine’s height and we will evaluate those methods with the mean squared extrapolation error. Also, we will study wind distribution modelling by the Weibull distribution and consider its variability over time. Finally, cross-validation and block bootstrap will be used to see whether we should use mesoscale data instead of wind data from Environment Canada or whether it would even be beneficial to use both kind of data to predict wind speed. In summary, the whole methodology used by wind speed engineers to estimate the energy production will be tested from a statistical point of view and we will attempt to propose changes in this methodology that could improve the estimation of the wind speed annual energy production.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les nouvelles dynamiques et leurs impacts dans le secteur de l'électricité. Elle discute des sujets critiques d’après les perspectives de la macroéconomie, de la configuration structurelle, et de la transition vers des sources d'énergie renouvelables. Plus précisément, trois sujets se dégagent: le lien entre la consommation d'électricité et la croissance économique, les impacts de l'intégration verticale entre les producteurs et les détaillants, et les impacts d'intégration de production d'énergie renouvelable intermittente. En mettant en jeu ces trois sujets, elle tente d’apporter des réponses aux défis principaux de la sécurité d'approvisionnement, de la compétitivité, et de la durabilité du développement énergétique. En donnant de nouvelles orientations dans la recherche sur l’économie de l’énergie, elle servira à éclairer des débats politiques. / The objective of this thesis is to study the new dynamics and their impacts in the electricity sector. It discusses the critical issues from the perspectives of macroeconomics, structural configuration, and a transition to renewable energy sources. More precisely, three topics emerge: the nexus between electricity consumption and economic growth, the impacts of vertical integration between power generators and retailers, and the market impacts and integration issues of intermittent renewable generation. By studying these three topics, it provides answers to the key challenges of supply security, competitiveness and sustainable development in the energy sector. By giving new research directions of energy economics, it serves to inspire related policy debates.

Le contexte de nos travaux de thèse est l'intégration de l'énergie éolienne sur les réseaux insulaires. Ces travaux sont soutenus par EDF SEI, l'opérateur électrique des îles françaises. Nous étudions un système éolien-stockage où un système de stockage d'énergie doit aider un producteur éolien à tenir, vis-à-vis du réseau, un engagement de production pris un jour à l'avance. Dans ce contexte, nous proposons une démarche pour l'optimisation du dimensionnement et du contrôle du système de stockage (gestion d'énergie). Comme les erreurs de prévision J+1 de production éolienne sont fortement incertaines, la gestion d'énergie du stockage est un problème d'optimisation stochastique (contrôle optimal stochastique). Pour le résoudre, nous étudions tout d'abord la modélisation des composants du système (modélisation énergétique du stockage par batterie Li-ion ou Sodium-Soufre) ainsi que des entrées (modélisation temporelle stochastique des entrées incertaines). Nous discutons également de la modélisation du vieillissement du stockage, sous une forme adaptée à l'optimisation de la gestion. Ces modèles nous permettent d'optimiser la gestion de l'énergie par la méthode de la programmation dynamique stochastique (SDP). Nous discutons à la fois de l'algorithme et de ses résultats, en particulier de l'effet de la forme des pénalisations sur la loi de gestion. Nous présentons également l'application de la SDP sur des problèmes complémentaires de gestion d'énergie (lissage de la production d'un houlogénérateur, limitation des rampes de production éolienne). Cette étude de l'optimisation de la gestion permet d'aborder l'optimisation du dimensionnement (choix de la capacité énergétique). Des simulations temporelles stochastiques mettent en évidence le fort impact de la structure temporelle (autocorrélation) des erreurs de prévision sur le besoin en capacité de stockage pour atteindre un niveau de performance donné. La prise en compte de paramètres de coût permet ensuite l'optimisation du dimensionnement d'un point de vue économique, en considérant les coûts de l'investissement, des pertes ainsi que du vieillissement. Nous étudions également le dimensionnement du stockage lorsque la pénalisation des écarts à l'engagement comporte un seuil de tolérance. Nous terminons ce manuscrit en abordant la question structurelle de l'interaction entre l'optimisation du dimensionnement et celle du contrôle d'un système de stockage, car ces deux problèmes d'optimisation sont couplés. / The context of this PhD thesis is the integration of wind power into the electricity grid of small islands. This work is supported by EDF SEI, the system operator for French islands. We study a wind-storage system where an energy storage is meant to help a wind farm operator fulfill a day-ahead production commitment to the grid. Within this context, we propose an approach for the optimization of the sizing and the control of the energy storage system (energy management). Because day-ahead wind power forecast errors are a major source of uncertainty, the energy management of the storage is a stochastic optimization problem (stochastic optimal control). To solve this problem, we first study the modeling of the components of the system. This include energy-based models of the storage system, with a focus on Lithium-ion and Sodium-Sulfur battery technologies. We then model the system inputs and in particular the stochastic time series like day-ahead forecast errors. We also discuss the modeling of storage aging, using a formulation which is adapted to the control optimization. Assembling all these models enables us to optimize the energy management of the storage system using the stochastic dynamic programming (SDP) method. We introduce the SDP algorithms and present our optimization results, with a special interest for the effect of the shape of the penalty function on the energy control law. We also present additional energy management applications with SDP (mitigation of wind power ramps and smoothing of ocean wave power). Having optimized the storage energy management, we address the optimization of the storage sizing (choice of the rated energy). Stochastic time series simulations show that the temporal structure (autocorrelation) of wind power forecast errors have a major impact on the need for storage capacity to reach a given performance level. Then we combine simulation results with cost parameters, including investment, losses and aging costs, to build a economic cost function for sizing. We also study storage sizing when the penalization of commitment deviations includes a tolerance threshold. We finish this manuscript with a structural study of the interaction between the optimizations of the sizing and the control of an energy storage system, because these two optimization problems are coupled.

Cette thèse traite de la modélisation, conception, optimisation ainsi que de la validation expérimentale d'une machine à reluctance variable à double alimentation (BDFRM-Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine) destinée aux éoliennes. La BDFRM est notamment considérée comme une alternative viable à la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MASDA) dans les systèmes éoliens à vitesse variable. Elle maintient les avantages de coût de la MASDA tout en permettant l'utilisation d'un convertisseur de puissance réduit ainsi que la diminution des coûts d'entretien en raison de son fonctionnement sans balais. Une revue de la littérature fait apparaitre un manque de recherches concernant la définition de procédures de conception pour rendre cette machine plus populaire en général, et dans l'éolien en particulier. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la maîtrise du processus de conception optimale de la BDFRM en proposant une approche méthodologique basée sur différents niveaux de modélisation et sur l'optimisation. Elle examine comment l'optimisation pourrait être appliquée à toutes les étapes de développement avec des objectifs distincts à évaluer. Plus précisément, elle se focalise sur la définition du problème d'optimisation sous contraintes et sur sa solution itérative en utilisant un algorithme déterministe couplé à des modèles semi-analytiques de différents niveaux. Les activités effectuées au cours de cette thèse peuvent être divisées en cinq parties principales. La première se réfère à l'étude de la BDFRM et de son principe de fonctionnement dans le contexte de l'énergie éolienne. La seconde partie examine les aspects de modélisation électromagnétique de la BDFRM en utilisant différentes approches. Deux modèles orientés pour l'optimisation ont été développés: le Modèle Semi-Analytique (SAM-Semi Analytical Model ) et le modèle multistatique de réseau de reluctances (MSRN-Multi-Static Reluctance Network). La mise en œuvre des modèles axés sur l'optimisation déterministe et leurs vérifications par des simulations utilisant la méthode des éléments finis (MEF) constituent la troisième partie. Il est possible de conclure qu'à partir des résultats de simulation que le SAM a un niveau de précision limité et qu'il est alors recommandé de l'utiliser dans les étapes de prédimensionnement, où le concepteur est plus intéressé par l'acquisition de résultats avec des temps de calcul rapides que par l'obtention d'une plus grande précision. Le MSRN, au contraire, présente des résultats d'une précision remarquable par rapport à la MEF, ce qui donne un compromis très intéressant entre précision et temps de calcul. Cette thèse a permis aussi de spécifier et réaliser un prototype de BDFRM en utilisant une approche d'optimisation présenté en quatrième partie. Ensuite, les données expérimentales obtenues à partir du prototype ont été confrontées aux résultats de la simulation pour valider les modèles, mettant l'accent sur le processus de modulation de flux par le rotor à réluctance, en particulier l'inductance mutuelle entre les enroulements. Bien que les résultats soient dans un sens satisfaisant pour la validation des modèles, il y a des différences qui ont exigés un examen plus approfondie. Une discussion sur les hypothèses les plus probables a donc été effectuée, celle-ci a souligné le rôle important du processus de fabrication de la machine sur ses performances. La cinquième partie explore à travers une étude de cas l'utilisation de la procédure de conception de la BDFRM proposée dans cette thèse pour les éoliennes. En conclusion générale, on peut affirmer que la BDFRM est potentiellement une bonne candidate pour être utilisée dans les systèmes éoliens. Toutefois, les aspects techniques et économiques sur ce choix doivent être encore évalués, en analysant et en comparant la solution globale du système dans le même cadre de recherche avec d'autres solutions alternatives. / This thesis addresses the modeling, design and optimization with experimental validation of the Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine (BDFRM) for wind power systems. The BDFRM is being considered as a viable alternative to the Doubly Fed Induction Machine (DFIG) in variable speed wind energy conversion systems. It keeps the cost advantages of the DFIG by allowing the use of a fractionally rated power converter and it has the advantage of reduced maintenance costs due to its brushless operation. A literature review shows that there is still a lack of researches to define a design procedure to make this machine widely used in general and in such application in particular. The main goal of this thesis is to contribute on mastering the BDFRM optimized design by proposing a methodological approach based on different modeling levels and on optimization. It discusses how optimization could be applied in all development stages with distinct objectives to be assessed. More precisely, it draws its attention on setting the optimization problem and on the iterative solution of a constrained inputs/outputs problem by using a deterministic algorithm coupled to analytical-based modeling levels. The activities performed during this thesis can be divided in five main topics. The first refers to the study of the BDFRM and its operating principles in the context of wind power. The second discusses the BDFRM electromagnetic modeling aspects using different approaches. Two optimization-oriented models have been developed: the Semi-Analytical Model (SAM) and the Multi-Static Reluctance Network model (MSRN). The implementation of the models focusing on deterministic optimization and their verification through simulations using Finite Element Analysis (FEA) are considered the third topic. It can be concluded from the simulation results that the SAM has a limited accuracy level and it is recommended to be used in early design stages, where the designer is most interested in fast computation times to test many design variation than in obtaining the results with the highest possible accuracy. The MSRN, on the contrary, presents remarkably precise results when compared to FEA, yielding a very interesting trade-off among accuracy and computation time. This thesis has also allowed to specify and realize a BDFRM prototype using an optimization approach, presented in the fourth part. Then, the experimental data obtained from the prototype has been confronted to the simulation results to validate the models, focusing on the investigation of the flux modulation process by the reluctance rotor, especially the mutual inductance among the windings. Although the results were in a sense satisfactory to validate the models, there have been differences that demanded further investigation. A discussion on the most likely hypothesis for that has been performed, indicating the significant role of the manufacturing process on machine performance. The fifth topic explores through a case study the use of the proposed BDFRM design procedure for wind power applications. As a general conclusion, it can be stated that the BDFRM is potentially a good candidate to be used in wind power systems. However, the technical and economic aspects on this choice must be still assessed, analyzing and comparing the overall system solution of distinct topologies within the same framework. / Esta tese aborda a modelagem, o projeto e a otimização, com validaçãoexperimental, de máquinas de relutância duplamente alimentadas sem escovas (BDFRM)para sistemas de geração de energia eólica.A BDFRM é considerada como uma alternativa viável para o gerador de indução duplamentealimentado (DFIG) em sistemas de geração de energia eólica com variação develocidade. Ela mantém as vantagens de custo da solução com o DFIG, permitindo autilização de um conversor de frequência de potência nominal reduzida, e tem a vantagemadicional de custos de manutenção mais baixos devido a sua operação sem escovas. Umarevisão da literatura evidencia que ainda há uma necessidade de pesquisas na área parade_nir um procedimento de projeto desta máquina para torná-la amplamente utilizada emaplicações em geral e, em particular, para geração eólica.O objetivo principal desta tese é de contribuir para o domínio de técnicas de projetootimizado para a BDFRM através da proposição de uma metodologia baseada em diferentesníveis de modelagem e em otimização. Discute-se como técnicas de otimização podem seraplicadas em todas as fases de desenvolvimento com objetivos distintos. Especi_camente,a metodologia proposta se concentra na de_nição e na solução iterativa de problemas deotimização com restrições nas saídas utilizando um algoritmo determinístico acoplado amodelos semi-analíticos de diferentes níveis.As atividades realizadas durante esta tese podem ser divididas em cinco tópicos principais.O primeiro refere-se ao estudo da BDFRM e seu princípio de funcionamento no contextode geração de energia eólica. O segundo trata dos aspectos de modelagem eletromagnética da BDFRM utilizando diferentes abordagens. Dois modelos orientados à otimizaçãoforam desenvolvidos: o modelo semi-analítico (SAM) e o modelo multi-estático de redes derelutâncias (MSRN). A implementação dos modelos com foco na otimização e a veri_caçãodeles através de simulações com o método de elementos _nitos (FEA) são consideradas aterceira parte. Pode-se concluir, a partir dos resultados de simulação, que o SAM tem umaprecisão limitada e é recomendado para ser utilizado em estágios iniciais de projeto, emque o projetista está mais interessado em cálculos rápidos para testar diversas variações deprojeto do que na obtenção de resultados com a maior precisão possível. O MSRN, ao contrário, apresenta resultados precisos quando comparado aos obtidos com o FEA, resultandonum interessante custo-benefício entre precisão e tempo de cálculo. Nesta tese, fabricou-setambém um protótipo da BDFRM, o qual foi especi_cado utilizando-se otimização e osdetalhes sobre ele são introduzidos na quarta parte. Os dados experimentais obtidos com oprotótipo foram confrontados com os resultados de simulação para validação dos modelos,focando-se na investigação do processo de modulação de _uxo pelo rotor relutância, especialmentea indutância mútua entre os enrolamentos. Embora os resultados obtidos sejamsatisfatórios para validar os modelos, encontraram-se diferenças que exigiram uma investigação mais detalhada. As hipóteses mais prováveis foram investigadas e as conclusõesindicam o papel determinante do processo de fabricação no desempenho da máquina. Oquinto tópico explora através de um estudo de caso a utilização do procedimento de projetoproposto da BDFRM para aplicações de geração de energia eólica.Como conclusão geral, pode-se a_rmar que a BDFRM é potencialmente uma boa candidatapara ser utilizada em sistemas de geração de energia eólica. Contudo, aspectostécnicos e econômicos sobre essa escolha devem ainda ser avaliados, comparando-se asdiferentes topologias existentes sob o mesmo enfoque metodológico.