Face à des enjeux économiques, politiques et environnementaux, les compagnies électriques développent des outils incitatifs visant à réduire la demande des consommateurs, en particulier lors des périodes de pointe de demande. Chez le client résidentiel, ces outils sont pour l’essentiel de nature tarifaire (tarification dynamique ou horo-saisonnière), ou informative (feedbacks sur la consommation). Lorsqu’un ou plusieurs de ces outils sont employés par les acteurs de la filière électrique, on attend une réaction du consommateur, sous forme d’un effacement, d’un report ou d’une réduction globale de la consommation. C’est ce phénomène de réaction que nous appelons la demand response. Afin d’évaluer l’efficacité de ces dispositifs, les compagnies développent des protocoles d’études, notamment des expérimentations de terrain (pilotes) durant lesquels les offres de la demand response sont implémentées sur un échantillon de population. Ces études donnent lieu à des analyses que nous avons compilées afin de tenter d’en extraire des enseignements généralisables. Nous mettons en avant les limites méthodologiques de ces démarches longues et coûteuses et dont la généralisation des résultats est parfois remise en question. Dans l’optique de proposer un éventuel substitut aux pilotes, nous avons examiné le potentiel des méthodes de l’économie expérimentale pour étudier la demand response. La discipline a pour objet d’évaluer l’efficacité d’institutions comme les marchés, mais aussi d’étudier les comportements et leurs déterminants. Est-il possible d’employer les méthodes de l’économie expérimentale afin d’analyser le comportement du consommateur résidentiel face à des incitations à réduire sa demande en électricité, en particulier lors des périodes de pointe ? L’économie expérimentale peut-elle se substituer aux pilotes de terrain ? L’économie expérimentale a déjà contribué à maintes reprises à la compréhension des marchés de gros de l’électricité. Mais jamais l’aspect « consommateur final » de la demand response n’a été abordé, ni dans son acceptabilité, ni dans son efficacité : c’est là que se situe notre contribution qui alimente cette thèse. Nous avons élaboré un protocole visant à mesurer l’acceptabilité de différentes offres de demand response, et mené une série de sessions expérimentales. Nous avons montré que l’acceptabilité des contrats de tarification de pointe est plus grande pour ces consommateurs que celle des contrats de type « bonus à l’effacement », du fait de l’asymétrie des comportements face aux risques de pertes et de gains probabilistes. De plus, une économie substantielle sur la facture électrique est nécessaire pour déclencher une motivation suffisante pour induire des changements de comportements. Quoi qu’il en soit, les offres tarifaires incitatives sont perçues comme un facteur de stress difficile à intégrer aux contraintes du quotidien de certains foyers. Les résultats montrent que l’économie expérimentale peut apporter des éléments utiles et robustes sur les briques fondamentales des comportements des ménages face à ces offres innovantes. Le type et la granularité des enseignements diffèrent de ceux obtenus par les pilotes. Ces derniers testent des solutions plus abouties industriellement ; ils sont relativement contraints et apportent des réponses en termes de modification de consommations in situ. Il s’est avéré difficile, voire impossible d’encapsuler les routines de consommation électrique des clients au sein du laboratoire. Le lien distendu entre l’instant de l’achat d’électricité et la réception de la facture n’est pas aisément modélisable lors de nos sessions expérimentales. Au-delà des résultats de l’expérimentation, nous montrons que l’économie expérimentale, si elle ne peut constituer un substitut partiel aux pilotes de terrain, peut intervenir en tant que méthodologie exploratoire à l’amont ou en complément de ces derniers, facilitant l’approche préalable des comportements des clients résidentiels. / Facing economic, political and environmental stakes, electricity providers are nowadays developing incentive tools, in order to reduce consumer’s demand, particularly during peak demand periods. For residential customers, these tools can be tariffs (dynamic pricing of time-of-use tariffs), or informative devices or services (feedbacks on historical or real-time consumption, given on various media). They might go along with automatization systems that can help cutting of some electric devices when needed. In order to evaluate the capacity of these settings among their customers, electricity utilities are developing quite a few studies, which are mainly field experiment often called pilots. During these pilots, demand response tools are implemented on a population sample. These long and expensive studies lid to quantitative and qualitative analysis. We have compiled about 40 of them and extract from this survey some generalizable teachings. We have shown what these results were and highlighted pilot programs’ methodological limits. In order to propose a substitute to these heavy experimentations, we assessed the capacity or experimental economics. This relatively new discipline’s objective is to evaluation the efficiency of institutions, like markets, but also to study what animate economic agents’ behaviour, e.g. preferences, beliefs, cognitive biases, willingness to pay… We were also able to elaborate an experimental protocol dedicated to the evaluation of some demand response contracts’ acceptability. The results collected during 14 experimental sessions gave us some innovative clues and insight on these contracts acceptability. But, beyond these results, we have demonstrated that even if experimental economics can’t obviously be a substitute for field experiments, it can represent an interesting exploratory methodology. To sum up the experimental economics can take part of residential customers’ behaviour understanding, performing upstream or in complement of pilot programs.

Nous avons cherché à fournir une estimation précise de la conductivité électrique des tissus cérébraux humains en clinique, en utilisant une stimulation pulsée locale de faible intensité. Méthodes : À l'aide de l'approximation quasi-statique des équations de Maxwell, nous avons établi un modèle analytique du champ électrique généré par les électrodes intracérébrales stéréotaxiques-EEG (SEEG). Nous avons couplé ce modèle de champ électrique avec un modèle de l'interface électrode-électrolyte pour fournir une expression analytique explicite de la conductivité du tissu cérébral basée sur la réponse enregistrée du tissu cérébral à la stimulation. Résultats: Nous avons validé notre modèle biophysique en utilisant i) des solutions salines calibrées en conductivité électrique,ii) des tissus cérébraux de rat, et iii) des données électrophysiologiques enregistrées en clinique chez sept patients épileptiques au cours de la SEEG. Nous avons trouvé une possible corrélation entre la conductivité et le caractère épileptique du tissu. Conclusion: Cette nouvelle méthode basée sur un modèle offre une estimation rapide et fiable de la conductivité électrique des tissus cérébraux en tenant compte des contributions de l'interface électrode-électrolyte. Signification: Cette méthode surpasse les mesures standard de bioimpédance. L'application pour le diagnostic est envisagée puisque les valeurs de conductivité diffèrent fortement lorsqu'elles sont estimées dans le tissu cérébral sain versus hyperexcitable. / We aimed at providing an accurate estimation of human brain tissue electrical conductivity in clinico, using local, low-intensity pulsed stimulation. Methods: Using the quasi-static approximation of Maxwell equations, we derived an analytical model of the electric field generated by intracerebral stereotactic-EEG (SEEG) electrodes. We coupled this electric field model with a model of the electrode-electrolyte interface to provide an explicit, analytical expression of brain tissue conductivity based on the recorded brain tissue response to pulse stimulation. Results: We validated our biophysical model using: i) saline solutions calibrated in electrical conductivity, ii) rat brain tissue, and iii) electrophysiological data recorded in clinico from two epileptic patients during SEEG. Conclusion: This new model-based method offers a fast and reliable estimation of brain tissue electrical conductivity by accounting for contributions from the electrode-electrolyte interface. Significance: This method outperforms standard bioimpedance measurements since it provides absolute (as opposed to relative) changes in brain tissue conductivity. Application for diagnosis is envisioned since conductivity values strongly differ when estimated in the healthy vs. hyperexcitable brain tissue.

L’utilisation du germanium dopé de type n et contraint en tension ouvre la possibilité d’obtenir une source laser monolithique pour la photonique sur silicium. Mes travaux étudient l’injection électrique dans le germanium pour sonder la réalisation d’un laser contraint. J’ai dimensionné les performances des futurs dispositifs en fonction de la contrainte et du dopage. Pour cela, j’ai simulé le transport des porteurs au travers de doubles hétérostructures afin d’obtenir l’inversion de population dans la couche de germanium a été mis en évidence. Un régime de fonctionnement qui permet de réduire de deux ordres de grandeur le courant de seuil d’inversion de population. En appliquant une déformation de 0.9%, avec un dopage de 4×〖10〗^19 cm-3, on peut obtenir des densités de courant de seuil inférieures à 10 kA/cm2. La formation d’hétérostructure avec le germanium est critique. Afin d’étudier expérimentalement l’électroluminescence du germanium, j’ai dû établir des méthodes alternatives d’injection des porteurs à la double hétérostructure GaAs-p/Ge-n/GaAs-n. On utilise des contacts redresseurs (Schottky) sur des couches de germanium dopées de type n. Cette méthode a été optimisée par la passivation de la surface du germanium avec une couche d’oxyde, qui permet l’amélioration des propriétés électriques et d’émission radiative. On a aussi développé une approche permettant de former des couches de SiGe sur germanium par épitaxie induite par recuit laser pour obtenir une double hétérostructure. J’ai réalisé plusieurs types de cavités en germanium qui permettent de combiner le transfert de la contrainte avec l’injection électrique. J’ai établi le procédé de fabrication pour des structures en guide d’onde et en micropilier en utilisant un transfert de déformation par des couches de SiN contraintes. Un niveau de déformation biaxial de 0.72% pour des cavités en micropilier sous injection électrique a été atteint. L’évaluation de la déformation à partir des spectres d’électroluminescence a été confrontée à des simulations de déformation mécanique par éléments finis, tout en considérant l’injection électrique des porteurs dans la structure / Tensile strained and n-doped germanium can be used as an active material for the realization of an optical source for silicon photonics. I have investigated electroluminescence of device as a function of tensile strain and n-doping. For that, I have performed modeling of the carrier transport through double heterostructures to obtain population inversion in the germanium layer. An operating point that reduces by two orders of magnitude the population inversion current threshold has been evidenced. For a germanium layer doped at 4×〖10〗^19 cm-3 with a 0.9% biaxial strain, the current density threshold could be reduced below the 10 kA/cm2 range. The germanium interface properties are critical. To experimentally investigate electroluminescence in germanium, I had to establish different methods of carrier injection to offer an alternative to the double heterostructure p-GaAs/n-Ge/n-GaAs. We first propose to use a Schottky heterostructure to inject carriers in n-doped germanium. We show that carrier injection and electroluminescence devices can be optimized by depositing a thin interfacial oxide layer on top of n-doped germanium. We have also developed an approach to form SiGe layers on germanium by epitaxial laser induced annealing in order to obtain a double heterostructure. I have developed several clean room processes to fabricate germanium cavities which can combine electrical injection and strain transfer, including waveguides and micropilars structures. We show that a biaxial tensile strain up to 0.72% can be transferred in micropilar cavities under electrical pumping. The evaluation of strain level was confronted to finite element simulations of mechanical deformation, taking into account the electrical carrier injection

La forte consommation des énergies fossiles au niveau mondial entraine une raréfaction de ces ressources et met en danger l'équilibre environnemental global du fait de la pollution qu'elle engendre. D'autres sources d'énergie dites renouvelables se développent afin de proposer un mix énergétique très diversifié et progressivement décarboné. Par exemple, dans un contexte urbain, le solaire photovoltaïque présente de nombreux atouts comme la possibilité de produire de l'électricité de façon décentralisée, l'intégration aisée dans les bâtiments et infrastructures publiques, la réduction des pertes liées au transport de l'électricité, pas de pollution sonore, pas ou peu d'impact sur l'écosystème environnant, etc. Cependant, cette source est très intermittente et difficilement prédictible (diverses échelles de temps liées au passage de nuages, cycle diurne ou cycle saisonnier) et doit être implantée dans des endroits sans ombrage d'infrastructure pour assurer la meilleure production et durée de vie. De plus, sa production n'est généralement pas temporellement en phase avec des profils de consommation de type résidentiel ou tertiaire. Afin de répondre à la problématique d'intégration des énergies renouvelables dans nos réseaux électriques conventionnels, l'usage de moyens de stockage, par exemple de type électrochimique, semble aujourd'hui la meilleure solution, en considérant le coût, la sécurité d'approvisionnement, la maturité technologique et la facilité de mise en œuvre. Ainsi, de nouveaux micro-réseaux constitués de sources décentralisées et d'éléments de stockage apparaissent en concurrence du réseau centralisé conventionnel ou en complément de ce dernier afin d'atteindre de nouveaux objectifs (stabilité accrue du réseau, mode isolé de secours en cas de panne avec possibilité d'aider le redémarrage du réseau principal, remplacement de générateurs diesel auxiliaires, etc.). Parmi les grandes transformations actuelles, les consommateurs de plus en plus acteurs et peuvent injecter tout ou partie du surplus d'énergie produit vers le réseau ou choisir de consommer de l'énergie du réseau selon leurs souhaits. Un nouveau modèle économique se dessine avec la possibilité de voir apparaître de nouvelles tarifications de l'électricité notamment liées aux prestations assurant une plus grande robustesse du réseau. Durant cette thèse, plusieurs années de données de production et de consommation d'un bâtiment photovoltaïque ont été analysées pour définir les contraintes imposées à l'unité de stockage assurant l'équilibre du micro-réseau électrique. Un modèle de performance et de vieillissement a été élaboré pour trois technologies de stockage: batteries plomb- acide, batteries lithium-ion et supercondensateurs. Celui-ci permet le dimensionnement, l'association d'éléments de stockage et la gestion optimale des flux énergétiques au sein du micro-réseau. Divers critères permettant d'évaluer le fonctionnement des micro-réseaux ont également été étudiés comme le coût annuel de l'unité de stockage, le taux d'autoconsommation de l'énergie photovoltaïque, la quantité d'énergie qui n'a pas été fournie au consommateur, etc. Une approche multi-objective, basée sur le concept d'optimum de Pareto, a été mise en œuvre afin d'optimiser les aspects économique, environnemental et d'autonomie de fonctionnement des futurs réseaux électriques distribués. Un démonstrateur basse tension continue de quelques kilowatts a été développé pour valider les différents points étudiés dans cette thèse. / Because of our global high consumption of fossil fuels, these resources are becoming scarce and the environmental equilibrium of the Earth is endangered. Other energy sources are developed in order to build a new diversified and decarbonised energy mix. For example, in an urban context, the solar photovoltaic system has many assets such as the decentralized production of electricity, easy integration in buildings, transportation losses reduction, no sound during production, low environmental impact, etc. However, the production of this energy source is highly varying, difficult to predict (several timescales, from the cloud shadows to seasonal meteorological variations) and not correlated across time with our consumption needs. In order to enable a massive penetration of renewable energy sources in our conventional grid, the use of energy storage systems (e.g. electrochemical storage) seems a promising solution, taking into account the costs, supply security, technological maturity and ease of set up. Hence, new microgrids constituted by decentralized energy sources and energy storage systems have been developed in order to replace or complement the main centralized grid by ensuring some support functions (i.e. enhancement of the grid stability, black-start operation, replacement of diesel generators, etc.). The consumers become actors able to inject a part of all their surplus energy to the main grid, if the operation is accepted by the transmission system operator. A new business model is to define, especially in the case of putting a valuation on the functions that can help the main grid. During this thesis, several years of data from production and consumption of a photovoltaic building have been analysed in order to define the operating profile of an energy storage system that ensures the equilibrium of the microgrid. A behavioural model taking into account the ageing has been made for three storage technologies: lead-acid batteries, lithium-ion batteries, and supercapacitors. It enables the optimal sizing, the hybrid association of storage systems, and the optimal energy management of the microgrid. Several criteria assessing the operation of microgrids have been studied (e.g. annual cost of the storage system, self-consumption rate, loss of load probability, etc.). A multi-objective methodology, based on Pareto optimality, has been developed in order to optimize economic, environmental, and autonomy aspects. A low voltage DC prototype of some kilowatts has been developed for validating the different concepts presented in this thesis.

De tout temps, l’Homme s’est vu contraint de protéger les fruits de sa créativité et les domaines concernant sa sécurité. Ses informations sont souvent sensibles, dans les relations politiques et commerciales notamment. Aussi, la nécessité de les protéger en les rendant opaques au regard d’adversaires ou de concurrents est vite survenue. Depuis l’Antiquité, les procédés de masquages et enfin de cryptages furent nombreux. Les techniques de protection, depuis l’époque industrielle n’ont fait que croître pour voir apparaître, durant la seconde guerre mondiale, l’archétype des machines électromécaniques (telle l’Enigma), aux performances réputées inviolables. De nos jours, les nouveaux circuits de protection embarquent des procédés aux algorithmes hyper performants. Malgré toutes ces protections, les produits restent la cible privilégiée des « pirates » qui cherchent à casser par tous les moyens les structures de sécurisation, en vue d’utilisations frauduleuses. Ces « hackers » disposent d’une multitude de techniques d’attaques, l’une d’elles utilise un procédé par injections de fautes à l’aide d’un faisceau laser. Dès le début de ce manuscrit (Chapitre I), l’état de l’art de l’injection de fautes sera développé, en se focalisant sur celles faite à l’aide d’un faisceau laser. Ceci aidera à bien appréhender ces procédés intrusifs et ainsi protéger au mieux les microcontrôleurs sécurisés contre ces types d’attaques. Il est nécessaire de bien comprendre les phénomènes physiques mis en jeu lors de l’interaction entre une onde de lumière cohérente, tels les lasers et le matériau physico-chimique qu’est le silicium. De la compréhension de ces phénomènes, une modélisation électrique des portes CMOS sous illumination laser a été mise en oeuvre pour prévoir leurs comportements (chapitre II). De bonnes corrélations ont pu être obtenues entre mesures et simulations électrique. Ces résultats peuvent permettre de tester la sensibilité au laser de portes CMOS au travers de cartographies de simulation. De cette meilleure compréhension des phénomènes et de ce simulateur mis en place, de nombreuses contre-mesures ont été imaginées. Les nouvelles techniques développées, présentées dans ce manuscrit, donnent déjà des pistes pour accroître la robustesse des circuits CMOS contre des attaques laser. D’ores et déjà, ce travail a permis la mise en oeuvre de détecteurs lasers embarqués sur les puces récentes, renforçant ainsi sensiblement la sécurité des produits contre une attaque de type laser. / From time immemorial, human beings have been forced to protect the fruits of their creativity and ensure the security of their property. This information is very often strategic, in particular in political and commercial relationships. Also the need to protect this information by keeping it concealed in regards to enemies or competitors soon appeared. From ancient times, the methods used for masking and eventually encrypting information were numerous. Protection techniques have only advanced grown since the industrial era and have led to the precursor of electro-mechanic machines (such as the famous Enigma machine). Nowadays, new protection circuitry embeds very efficient algorithms. Despite these protections, they remain a prime target for « attackers » who try to break through all means of securing structures, for fraudulent uses. These « attackers » have a multitude of attack techniques. One of them uses a method of fault injections using a laser beam. From the beginning (Chapter I), this manuscript describes the state of the art of fault injections, focusing on those made using a laser beam. It explains these intrusive methods and provides information on how to protect even the most secure microcontrollers against these types of attacks. It is necessary to understand the physical phenomena involved in the interaction between a coherent light wave, such as lasers, and the physicochemical material that makes up a microcontroller. To better understanding these phenomena, an electrical modeling of CMOS gates under laser illumination was implemented to predict their behavior (Chapter II). Good correlations have been obtained between measurements and electrical simulation. These results can be used to test the laser sensitivity of CMOS gates through electrical cartographies. Due to the better understanding of the phenomena and the developed simulator, many countermeasures have been developed. The techniques presented in this manuscript offer new possibilities to increase the robustness of CMOS circuits against laser attacks. This work has already enabled the implementation of efficient counter-measures on embedded laser sensors and significantly enhanced product security against different laser attacks.

Les couches minces du silicium présentent de nombreux avantages dans la course à la production de modules solaires à grande échelle de part leur consommation très réduite de matière, leur faible coût de production et leur pertinence dans la technologie solaire flexible. Le silicium microcristallin hydrogéné (c-Si:H), préparé par dépôt chimique en phase vapeur (PECVD), a suscité un intérêt croissant grâce à sa stabilité contre la dégradation induite par la lumière et sa meilleure absorption comparées à celles du silicium amorphe. La structure mixte de ce matériau constituée du silicium amorphe et de grains cristallins arrangés sous forme d'agrégats coniques ou colonnaires influe sur les mécanismes du transport électrique.Dans cette thèse, un modèle tridimensionnel de croissance du c-Si:H est utilisé pour reproduire les principales caractéristiques de la dynamique de croissance et la microstructure du c-Si:H : une forme conique ou colonnaire des grains, une zone de transition amorphe nanocristalline, une rugosité de surface et une fraction cristalline qui évoluent avec l'épaisseur.Un modèle de transport électrique tridimensionnel utilisant les matériaux générés est développé. Ce modèle met en jeu des paramètres électriques correspondant au transport dans la phase amorphe, cristalline et au travers des joints de grains. Les résultats de la simulation sont comparés aux mesures de conductivité électrique montrant un excellent accord et permettant d'extraire les caractéristiques de la barrière de potentiel formée entre les grains. Cette modélisation numérique, à la fois du processus de la croissance et du comportement électrique permet de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes de transport dans ces matériaux fortement hétérogènes.Une caractérisation en bruit basse fréquence des couches microcristallines ayant différentes fractions cristallines est menée dans le but de mieux appréhender les mécanismes de transport. Le comportement en bruit trouvé est typique d'un phénomène de percolation.Les contacts métalliques utilisés lors des caractérisations électriques sont étudiés par la méthode TLM. La modélisation numérique de la structure de test a permis d'extraire la résistivité de contact et la résistance carrée des couches. Nos résultats suggèrent un processus de percolation à l'interface métal/c-Si:H. / Silicon thin films present many advantages in the production of large scale solar cells due to their very low material consumption, low production cost and their relevance in the flexible solar technology. The hydrogenated microcrystalline silicon (c-Si:H) prepared by chemical vapor deposition (PECVD ), has attracted increasing interest due to its stability against degradation induced by light and its better absorption compared to amorphous silicon . The mixed structure of this material consisting of amorphous silicon and crystalline grains arranged in the form of conical or columnar aggregates affects the electrical transport mechanisms. In this thesis, a three-dimensional model is used to reproduce the main features of the growth dynamics and the microstructure of c-Si:H: conical or columnar grains, an amorphous/nanocrystalline transition zone, a surface roughness and a crystalline fraction evolving with the thickness. A three-dimensional model of the electrical transport using the generated structures is developed. This model involves electrical parameters corresponding to the transport in the amorphous phase, crystalline phase and through the grain boundaries. The simulation results are compared to the electrical conductivity measurements showing an excellent agreement and allowing to extract the characteristics of the potential barrier formed between the grains. The numerical modeling of both the process of growth and the electrical behavior contributes to a better understanding of transport phenomena in these highly heterogeneous materials.A low frequency noise characterization of microcrystalline silicon layers with different crystalline fractions has been performed in order to understand the transport mechanism. The noise behavior is found to be typical of a percolation phenomenon.The metallic contacts used in the electrical characterizations are studied by the TLM method. Numerical modeling of the test structure allows extracting the contact resistivity and the sheet resistance of the films. Our results suggest a percolation process on the metal / c-Si:H interface.

Les matériaux magnéto-électro-élastiques (MEE) sont l'association des matériaux piézo-électrique et piézo-magnétique qui présentent un couplage "magnéto-électrique". L'objectif de cette thèse est d'étudier d'une part, le comportement effectif de ces composites et d'autre part, la propagation des ondes planes dans le milieu homogène équivalent. Dans la première partie de la thèse, nous avons modélisé le comportement effectif des composites MEE à partir de la méthode de la moyenne. Nous avons d'abord établi les équations générales, ensuite nous avons traité le cas où chaque phase est supposée isotrope transverse suivant un axe et polarisée suivant la même direction. La loi de comportement obtenue, ainsi que les tenseurs effectifs du milieu homogène équivalent ont été établis. Les propriétés élastiques effectives sont influencées par les propriétés électriques et magnétiques et réciproquement. Nous nous sommes intéressés en particulier à deux types de composites : les stratifiés et les fibres longues. L'influence de la géométrie des constituants ainsi que la proportion des phases sur le comportement effectif ont été étudiées. La deuxième partie du travail a porté sur l'étude de la propagation d'ondes planes dans les stratifiés. En utilisant la méthode d'homogénéisation périodique, nous avons obtenu les équations de la dynamique dans le milieu homogène équivalent. La longueur d'onde considérée est supposée grande devant la périodicité spatiale. Une méthode de résolution numérique a été développée afin d'obtenir les courbes de dispersion. Nous avons obtenu ces courbes en fonction des proportions des phases constitutives. Bien que les trois propriétés: élastique, électrique, magnétique, contribuent au comportement oscillatoire global, l'onde conserve essentiellement une nature élastique. / The objective of this thesis is estimating fundamental properties and studying the propagation of waves in the equivalent homogeneous medium based on the periodic magneto-electro-elastic (MEE) composite. These artificial MEE media are realized by means of combining piezo-electric and piezo-magnetic materials, and featurea direct "magneto-electric" coupling. In the first part, we modeled the effective behavior of these composites applying the averaging method. First, we derived the general equations, then we treated a particular case a uni axial medium comprised of alternating layers of piezo-electric and piezo-magnetic phases and polarized in the direction normal to the surfaces of these layers. The law of behavior was obtained as well as the effective tensors of the equivalent homogeneous medium. The effective elastic properties are influenced by the magnetic and electrical properties and inversely. We were particularly interested in two types of materials: multi-layers (planar symmetry) and long fibers (cylindrical symmetry). The influence of the geometry of these components on the effective behavior was revealed. The second part of the study focuses on the propagation of plane waves in the case of periodic multilayer structures. Using the periodic homogenization method, we obtained the effective tensors and the equations of propagation of elasto-electro-magnetic plane waves. The wavelength is supposed much larger than the spatial period of the investigated structure, hence the quasi-static approximation for the equations of electromagnetic could be used. The chosen method has allowed estimation of the wave frequency as a function of the wave number, the corresponding dispersion curves were plotted for a wide range of proportions of the constituent materials. Although all the three properties, mechanical, electrical and magnetic contribute to the global oscillatory behavior, the wave is essentially elastic.

La stimulation électrique fonctionnelle (SEF) est une des techniques utilisées pour la rééducation ou la suppléance fonctionnelle de déficiences motrices. Un stimulateur génère des impulsions électriques qui induisent des contractions des muscles paralysés, au travers des unités motrices toujours intactes. Aujourd'hui, les systèmes fonctionnant en boucle ouverte sont majoritairement utilisés. Ils permettent aux chercheurs d'évaluer hors-ligne de la SEF. Cependant, leur réglage reste basé sur un cycle essai-erreur ce qui est loin de simplifier la mise en œuvre de systèmes en boucle fermée. Dans cette thèse, nous proposons une méthode de prédiction en temps-réel du couple en fonction de l'EMG conduisant à une nouvelle modalité de contrôle de l'activation musculaire sous SEF. L'EMG évoquée (eEMG) donne une image de l'effet de la SEF sur l'activité musculaire et est ainsi impliquée à la fois dans l'estimation du couple en temps réel et le contrôle. Le couple articulaire peut être estimé par l'eEMG en utilisant un filtre de Kalman et un modèle NARX - RNN. Le facteur d'oubli du filtre de Kalman doit être soigneuse-ment choisi de même que les réglages du schéma de calcul. C'est une limitation en particulier quand lorsque qu'il n'y a aucune connaissance a priori sur la force générée par le sujet sous SEF. La méthode proposée NARX-RNN n'a pas ce défaut et offre de meilleures performances que le filtre de Kalman. L'estimation du couple basée eEMG est donc utilisée hors-ligne et en-ligne en temps réel. Les performances comparées des algorithmes ont été effectues sur sujets sains et sujets blessés médullaires. Par ailleurs, le système temps-réel de contrôle de l'activation musculaire basé EMG a été développé sur la technologie sans fil Vivaltis. Enfin, afin de proposer un contrôle de plusieurs muscles, le concept de synergie a été utilisée pour estimer les activations musculaires cibles à partir d'un couple articulaire désiré. Les niveaux de synergie moyenne ont été utilisés pour valider l'extraction d'activation sur le sujet non inclus dans le calcul de la moyenne. L'erreur d'estimation est de 9.3% sur l'ensemble des sujets. Ces résultats vont dans le sens d'un contrôle d'une neuroprothèse basé synergie. En effet la combinaison des eux contributions de la thèse ouvre des perspectives nouvelles de modalité de contrôle de la SEF. / Functional electrical stimulation (FES) is one of existing rehabilitationtechniques to restore lost motor functions for motor-impaired subjects. Thestimulator generates electrical pulses to drive artificial contractions of theparalysed muscles, through activating intact motor units. Currently open-loopFES system is the most frequently used. The data acquired from the open-loop FESwould help researchers to make off-line analysis for evaluating performance ofFES systems. However, it should go through a trial and error manner, which isfar from facilitating a implementation of real-time closed-loop FES system.In this thesis, we propose and develop a method for real-time EMG-feedback torqueprediction and muscle activation control toward new modality in FES.The evoked electromyography (eEMG) which can reflect electrical muscleactivities under FES, is involved in both offline and real-time FES-inducedtorque estimation and muscle control systems. FES-induced joint torque can beestimated/predicted with eEMG by employing both Kalman filter and NonlinearAuto-Regressive with Exogenous (NARX) type recurrent neural network (RNN). Theforgetting factor of Kalman filter should be properly selected in advance andalso with proper computational settings. It is a limitation for some casesespecially when we do not have prior knowledge of new subject regarding expectedmuscle response intensity induced by FES. The proposed NARX-RNN does not sufferfrom such computational setting problems and also shows better estimation/prediction performances than that of Kalman filter.Evoked EMG based torque estimator is exploited from off-line situation toonline real-time system. Recursive Kalman filter and NARX-RNN are implementedfor real-time torque estimation/prediction with evoked EMG. The performance wasverified both in able-bodied and spinal cord injured subjects. Furthermore, real-time EMG-feedback muscle activation control in FES system is developed togetherwith wireless Vivaltis stimulator for specifying directly muscle activationinstead of conventionally specifying stimulation pattern.Toward natural multiple muscles control with multi-channel FES, muscle synergyconcept was introduced for inverse estimation of muscle activations from desiredjoint moment. The averaged synergy ratio was applied for muscle activationestimation with leave-one-out cross validation manner, which resulted in 9.3%estimation error over all the subjects. This result supports the common musclesynergy-based neuroprosthetics control concept. By combining this inverse estimation of muscle activations together with real-time EMG-feedback muscle activation control, it would open a new modality toward muscle synergy-basedmulti-muscle activation control in FES.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Innov'hydro, qui regroupe cinq laboratoires de Grenoble INP conjoints avec le CNRS et l'Université Grenoble Alpes et vise à mener une étude sur l'ensemble constitué par la turbine et le générateur électrique. Dans ce cadre, cette thèse menée dans G2Elab est dédiée aux techniques de contrôle avancées pour convertir de manière efficace l’énergie hydraulique en énergie électrique.Lorsque la centrale hydroélectrique est connectée aux réseaux comme fournisseur, à savoir le «mode PQ», elle délivre la quantité exacte de puissance active et réactive en fonction de la demande réelle ou permet d'exploiter au maximum la ressource primaire disponible. Cette thèse se focalise sur le dernier cas: le convertisseur côté machine confirme la vitesse de rotation optimale pour atteindre la puissance maximale; le convertisseur côté réseau assure la tension constante du circuit intermédiaire et envoie une alimentation de bonne qualité au réseau. Une topologie conventionnelle basée sur un générateur synchrone à aimant permanent (PMSG) est implémentée. Elle est composée d'une turbine hydraulique, de PMSG, de convertisseurs de source de tension dos à dos avec PWM en interaction avec le réseau.Une centrale hydroélectrique à vitesse variable (VS-HEP) est un système non linéaire variant dans le temps, perturbé par diverses incertitudes. Ainsi, cette thèse est dédiée à l’amélioration de la robustesse du contrôle et de la capacité de rejet des perturbations. Les contributions de cette thèse sont les suivantes:1. Modèle hydraulique et application de PHIL• Un modèle hydraulique tridimensionnel à échelle réduite est établi de manière flexible pour diverses conditions de fonctionnement en laboratoire.• Le modèle dynamique de l'actionneur à aubes directrices est introduit afin de prendre en compte les effets de la dynamique induite sur l'ensemble des performances électriques.• Sur la base du benchmark PHIL en temps réel flexible du G2Elab, un banc d'essai hydraulique à vitesse variable est construit, en cours d'adaptation pour le modèle à échelle réduite proposé.2. Contrôle avancé de la robustesse élevée et de la capacité de rejet de perturbations• Un contrôleur de vitesse basé sur ADRC est proposé pour améliorer les performances de suivi de vitesse, permettant ainsi un fonctionnement MPPT efficace. Un observateur de couple est intégré pour atténuer les effets des variations de couple hydraulique.• Un contrôleur ESO est implémenté dans la boucle de contrôle DC-Link. Il atteint une plus grande robustesse et améliore la dynamique de contrôle. Et il est simple à concevoir et à employer pour des ingénieurs.3. Technique de synchronisation basée sur ESO• Un ESO-PLL amélioré est proposé. Les incertitudes internes et les perturbations externes dans le système PLL sont estimées via ESO et activement compensées par une dynamique en boucle fermée en temps réel, ce qui permet une grande robustesse dans la gestion des perturbations.• Un intégrateur généralisé (GI)-ESO est proposé pour les systèmes présentant des perturbations sinusoïdales à haute fréquence. Un intégrateur généralisé est introduit pour estimer la perturbation haute fréquence dans la conception.• Une PLL basée sur GI-ESO est proposée pour les utilitaires distordus. Les erreurs haute fréquence apparaissant dans la phase estimée peuvent être éliminées en utilisant le GI-ESO.4. Gestion optimale des centrales hydroélectriques à stockage pompé• Une approche de programme dynamique est utilisée pour gérer de manière optimale le temps de pompage et de génération d'un système hydroélectrique hybride à stockage par pompage.• Les bénéfices de tous les régimes de fonctionnement à vitesse variable et à vitesse fixe sont comparés.• Les bénéfices quotidiens augmentent par rapport au mode de fonctionnement normal. Parallèlement, les restrictions hydrauliques et la consommation d’eau peuvent être respectées. / This PhD thesis is in the frame of project Innov'hydro, which involves five joint Grenoble INP laboratories with the CNRS and Grenoble Alpes and aims to review the assembly composed by the turbine and the electric generator. Within this frame, this thesis carried out in G2Elab, is dedicated to advanced control techniques for efficiently converting the hydraulic energy into electric power.When the hydro-electric plant is connected with the grids as a supplier, namely `PQ mode', it either delivers the exact amount of active and reactive power according to the actual demand or allows to exploit the maximum of the available primary resource. This thesis is targeting on the latter case: The machine-side converter confirms the optimal rotational speed to achieve the maximum power; the grid-side converter ensures the constant DC-link voltage, and to send the good quality power to the grid. A conventional variable-speed direct drive Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)-based topology is implemented, it is composed of a hydraulic turbine, a PMSG, back-to-back voltage source converters with PWM interacting with the three-phase grid.A Variable-Speed Hydro-Electric Plant (VS-HEP) is a nonlinear time-varying system disturbed by various uncertainties. Thus, this thesis devotes more efforts to improving the control robustness and disturbance rejection ability. The contributions of this thesis are as follows:1. Hydraulic model and PHIL implementation• A reduced-scale hydraulic model is flexibly established for various laboratory operation conditions.• The dynamic model of guide vane actuator is introduced in order to take into account the effects of the induced dynamics on the whole electric performance.• Based on the flexible real-time PHIL benchmark in G2Elab, a variable speed hydraulic test rig is built, being adapted to the proposed reduced-scale model.2. Advanced control of high robustness and disturbance rejection ability• An ADRC-based speed controller is proposed to improve the speed tracking performance, thus enabling efficient MPPT operation. Besides, a torque observer is incorporated to mitigate the effects caused by hydraulic torque variations. Experimental results prove its advantages for VS-HEP application.• An enhanced ESO-based controller is implemented into DC-link control loop. It achieves higher robustness and improve control dynamics. And it is simple to design and employ for practical engineers.3. ESO-based synchronization technique• An enhanced ESO-PLL is proposed. The internal uncertainties and external disturbances in PLL system are estimated via ESO and actively compensated into closed-loop dynamics in real-time, which can achieve high robustness in dealing with disturbances.• A Generalized Integrator (GI)-ESO is proposed for system with high-frequency sinusoidal disturbances. A generalized integrator is introduced to estimate the high-frequency disturbance in the design.• A GI-ESO-based PLL is proposed for under power quality degradation issues (unbalanced voltage, harmonics, and voltage offset). The high-frequency errors appearing in the estimated phase can be eliminated by employing the GI-ESO.4. Optimal management of pumped-storage hydro-electric plant• A forward dynamic program approach is used to optimally manage the pumping and generating operation time for a hybrid pumped-storage hydro-electric system.• The profits for all operation regimes of variable speed operation and fixed speed are compared.• The daily profits increase compared with the normal operation mode, meanwhile, it can maintain the hydraulic restrictions and water consumption to local residents.

Des films minces de W et de W-Cu ont été déposés par co-pulvérisation GLAD à partir de deux cibles opposées de W et Cu. Chaque cible a été focalisée sur le centre du substrat avec un angle d'inclinaison α = 80°. Plusieurs séries d’échantillons ont été réalisées en faisant varier différents paramètres expérimentaux : la pression de travail, l’épaisseur des films ainsi que les intensités du courant des cibles. La nature des films préparés et leurs propriétés ont été étudiées pour comprendre les corrélations entre les caractéristiques structurales et les comportements électriques des films. Les paramètres expérimentaux jouent un rôle fondamental sur la forme des colonnes, leur angle de croissance, et sur la composition élémentaire des films colonnaires de W-Cu. Une variation systématique de ces paramètres a permis de relier certaines caractéristiques morphologiques et structurales aux propriétés de transport électronique dans ces films colonnaires. Le cuivre a été dissout chimiquement afin d’obtenir une structure plus poreuse, ceci dans l’objectif d’améliorer l’anisotropie électrique. Parallèlement à cette approche expérimentale, un modèle théorique a été développé pour comprendre les propriétés de conduction dans les films en tenant compte de la géométrie anisotrope des colonnes. Ce modèle a été appliqué aux films de W et W-Cu bruts et gravés. / W and W-Cu thin films were deposited by the GLAD co-sputtering technique from two opposite targets: W and Cu. Each target was focused on the center of the substrate with a tilt angle of α = 80 °. Several series were prepared changing some experimental parameters: the sputtering pressure, the film’s thickness as well as the target currents. The nature of as-deposited films and their morphological properties were studied in order to understand the correlations between some structural characteristics and electrical behaviors of these structured films. The experimental parameters play a key-role on the shape of the columns, their angle of inclination, and the elemental composition of these W-Cu films. The influence of these parameters on the films morphology was demonstrated and related to the electronic transport properties in these columnar films. The copper was chemically etched in order to obtain a more porous structure, with the aim of improving the electrical anisotropy. A theoretical model was also developed in order to understand the electrical conductivity mechanism in these columnar films taking into account the anisotropic structure of the columns. This model was applied to W, as-deposited W-Cu and etched W-Cu films.