This thesis proposes a novel set of generic and compact biologically plausible VLSI (Very Large Scale Integration) neural circuits, suitable for implementing a parallel VLSI network that closely resembles the function of a small-scale neocortical network. The proposed circuits include a cortical neuron, two different long-term plastic synapses and four different short-term plastic synapses. These circuits operate in accelerated-time, where the time scale of neural responses is approximately three to four orders of magnitude faster than the biological-time scale of the neuronal activities, providing higher computational throughput in computing neural dynamics. Further, a novel biological-time cortical neuron circuit with similar dynamics as of the accelerated-time neuron is proposed to demonstrate the feasibility of migrating accelerated-time circuits into biological-time circuits. The fabricated accelerated-time VLSI neuron circuit is capable of replicating distinct firing patterns such as regular spiking, fast spiking, chattering and intrinsic bursting, by tuning two external voltages. It reproduces biologically plausible action potentials. This neuron circuit is compact and enables implementation of many neurons in a single silicon chip. The circuit consumes extremely low energy per spike (8pJ). Incorporating this neuron circuit in a neural network facilitates diverse non-linear neuron responses, which is an important aspect in neural processing. Two of the proposed long term plastic synapse circuits include spike-time dependent plasticity (STDP) synapse, and dopamine modulated STDP synapse. The short-term plastic synapses include excitatory depressing, inhibitory facilitating, inhibitory depressing, and excitatory facilitating synapses. Many neural parameters of short- and long- term synapses can be modified independently using externally controlled tuning voltages to obtain distinct synaptic properties. Having diverse synaptic dynamics in a network facilitates richer network behaviours such as learning, memory, stability and dynamic gain control, inherent in a biological neural network. To prove the concept in VLSI, different combinations of these accelerated-time neural circuits are fabricated in three integrated circuits (ICs) using a standard 0.35 µm CMOS technology. Using first two ICs, functions of cortical neuron and STDP synapses have been experimentally verified. The third IC, the Cortical Neural Layer (CNL) Chip is designed and fabricated to facilitate cortical network emulations. This IC implements neural circuits with a similar composition to the cortical layer of the neocortex. The CNL chip comprises 120 cortical neurons and 7 560 synapses. Many of these CNL chips can be combined together to form a six-layered VLSI neocortical network to validate the network dynamics and to perform neural processing of small-scale cortical networks. The proposed neuromorphic systems can be used as a simulation acceleration platform to explore the processing principles of biological brains and also move towards realising low power, real-time intelligent computing devices and control systems.

La capacité des systèmes conventionnels de production d'énergie éolienne et marémotrice à fournir au réseau une énergie fiable et stable à tout moment est un nouveau défi en raison des fluctuations météorologiques, qui ont un impact significatif et direct sur la production d'énergie. C'est pourquoi l'hybridation des systèmes de production d'énergie éolienne et hydrolienne ont été étudiées pour améliorer l'intégration des énergies éolienne et marémotrice sur le réseau électrique.Cette étude nous a amené à développer des contributions liées à deux axes principaux :Le premier axe est focalisé sur un nouveau concept d'hybridation de deux sources énergétiques différentes en termes de propriétés physiques, l’éolien et l’hydrolienne à axe horizontal, basé sur un couplage électromécanique de ces deux systèmes. Les deux ressources sont l’énergie éolienne et l’énergie des courants marins. Le concept est développé en utilisant les similitudes fonctionnelles des turbines et les similarités en conversion d’énergie de leurs chaînes énergétiques. Pour appliquer ce concept en premier lieu, les paramètres de la génératrice asynchrone à double alimentation installée dans l’émulateur du GREAH sont identifiés. Ensuite, la chaîne de conversion de puissance est modélisée mathématiquement et simulée dans un environnement MATLAB / SIMULINK. Nous avons développé deux stratégies de commande.Une stratégie à vitesse fixe appelé "Contrôle direct de la vitesse", et une stratégie à vitesse variable basée sur la recherche de puissance maximale, dénommée "Contrôle indirecte de vitesse". Enfin, ce concept a été implémenté pratiquement sur l’émulateur en temps réel du laboratoire. Les résultats obtenus ont été analysés et discutés suite à ces travaux.Le deuxième axe est consacré à un concept que l’on appelle «temps accélérée» de simulation ou « temps virtuel ». Par la suite, ce concept a été mis en œuvre sur l’émulateur multi physique disponible au laboratoire GREAH. Ce concept (temps accélérée) est basé sur la réduction des échantillons de profil de vent afin de diminuer le temps de simulation et faciliter la commande en temps réel.Les résultats principaux sont obtenus d’abord dans MATLAB / SIMULINK, puis ont été vérifiés sur l’émulateur en temps réel. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le concept d’hybridation éolienne offshore / éolienne basée sur la flexibilité d’un émulateur multifonctions permettant diverses architectures d’émulation : éoliennes, éoliennes, et systèmes hybrides éoliennes - éoliennes. Nous analysons son impact sur la puissance de sortie du système. Les résultats obtenus sont corrélés aux profils de vitesse du vent et des marées, dans lesquels les propriétés statistiques ayant un impact sur les chaînes énergétiques mondiales pourraient être complémentaires et en particulier en fonction des sites donnés.Contributions principales et perspectives- Développement du concept de couplage électromécanique. Lorsque deux sources d’énergie renouvelables sont « intégrées », on stabilise la fluctuation rapide de la puissance générée, mais sous certaines conditions telles que la présence d’unités de stockage ou d’un système d’embrayage automatique.- Le concept temps accéléréeCette méthode est utilisée pour réduire la taille des données enregistrées du vent ou des courant marins, afin d’accélérer le temps de simulation des unités de production d'énergie avec des résultats raisonnables qui se rapprochent pertinemment des situations réelles.- Etudier et développer le concept de régime d’arbre électrique :Si le couplage électromécanique est difficile à réaliser du point de vue mécanique et que les découplages à arbre unique sont trop fréquents et que les contraintes mécaniques sont élevées, on peut étudier le régime de l'arbre électrique avec deux machines à induction DFIG. Le système peut fonctionner en mode synchrone avec des structures et configurations spécifiques. / The ability of conventional wind and tidal generation systems to provide the grid with reliable and stable power at all times is a new challenge due to weather fluctuations, which have a significant and direct impact on energy production. This is why the hybridization of wind and tidal power generation systems has been studied to improve the integration of wind and tidal power into the electricity grid.This study led us to develop contributions related to two main axes:The first axis is focused on a new concept of hybridization of two different energy sources in terms of physical properties, wind and horizontal axis turbines, based on an electromechanical coupling of these two systems. The two resources are wind energy and marine energy. The concept is developed using the functional similarities of turbines and similarities in energy conversion of their energy chains. To apply this concept first, the parameters of the double fed asynchronous generator installed in the GREAH emulator are identified. Then, the power conversion chain is modeled mathematically and simulated in a MATLAB / SIMULINK environment. We have developed two control strategies.A fixed speed strategy called "Direct Speed Control", and a variable speed strategy based on the search for maximum power, called "Indirect Speed Control". Finally, this concept has been implemented practically on the real-time emulator of the laboratory. The results obtained were analyzed and discussed following this work.The second axis is devoted to a concept called "accelerated time" simulation or "virtual time". Subsequently, this concept was implemented on the multi-physics emulator available at the GREAH laboratory. This concept (accelerated time) is based on reducing wind profile samples in order to decrease simulation time and facilitate real-time control.The main results are obtained first in MATLAB / SIMULINK, then verified on the emulator in real time.The main objective of this thesis is to study the concept of offshore wind / tidal turbine hybridization based on the flexibility of a multi-function emulator that allows various emulation architectures: wind turbines, tidal turbines, and hybrid wind - tidal turbines systems. We analyze its impact on the output power of the system; the obtained results are correlated with wind and tidal speed profiles, in which statistical properties impacting global power chains could be complementary and in particular in function of the given sites. Main contributions and perspectives- Development of the concept of electromechanical coupling.When two renewable energy sources are "integrated", the rapid fluctuation of the power generated is stabilized, but under certain conditions such as the presence of storage units or an automatic clutch system.- The accelerated time conceptThis method is used to reduce the size of the recorded wind or sea current data, to speed up the simulation time of the power generation units with reasonable results that are close to actual situations.- Study and develop the concept of electric shaft regime: If the electromechanical coupling is difficult to achieve from the mechanical point of view and the single shaft decouples are too frequent so high mechanical stress, one can study the electric shaft regime with two DFIG induction machines.There is a regime in which the ratios between the speeds of the different machines are rigorously constant. The system can operate in synchronous mode with specific structures and configurations.