Dans cette étude, une méthodologie analytique est présentée pour dimensionner les machines fonctionnant sur cycle pour les applications de véhicules électriques. Les objectifs sont de minimiser simultanément les énergies perdues sur cycle et le volume de machines synchrones à aimants permanents (PMSM) non saillants à grande vitesse en considérant tous les points de fonctionnement du cycle de conduite. La méthode permet d'optimiser à la fois la géométrie de la machine et la stratégie de commande (via l'angle d’autopilotage et la force magnétomotrice). Les valeurs de l'angle d’autopilotage sont optimisées pour réduire les pertes totales (pertes cuivre et pertes fer) pendant le cycle de conduite. On montre comment le mode de défluxage réduit à la fois les pertes moyennes sur cycle dans la machine et les contraintes sur le convertisseur de puissance. La performance de la machine optimisée est validée pour tous les points du cycle de conduite à l’aide d'un réseau de réluctances. Ce modèle permet de prendre en compte le mouvement du rotor, les flux de fuites et la réaction de l'induit. De plus, il permet également de modéliser le couplage entre le moteur et son système d'alimentation, composé du convertisseur de puissance et de la commande. Cela permet d'étudier l'influence des différentes stratégies de commandes telles que la commande en pleine onde ou par modulation de largeur d'impulsion (MLI) sur les performances du moteur. Un dimensionnement optimal est réalisé pour un véhicule urbain sur le cycle Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS). / In this study, an analytical method is presented to size the machines working over a driving cycle for electrical vehicle applications. The objectives are to simultaneously minimize the energy losses over the cycle and the volume of high-speed non-salient Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) considering all working points of a driving cycle. The method allows optimizing both the geometry of the machine and the control strategy (via the torque angle and the magnetic force). The values of the torque angle are optimized to reduce the energy losses during the driving cycle. It is shown how flux-weakening reduces both the constraints on the energy losses in the machine and the power converter. The performance of the optimal designed machine is validated at all working points of the driving cycle by means of a reluctance network model. This model allows taking into account the movement of the rotor, the flux leakage, the armature reaction. In addition, it permits to model the coupling between the motor and its power supply system composed of a power converter and its command. The model allows studying the influence of different control strategies such as the full wave operation or the Pulse Width Modulation (PWM) on the performance of the motor. A study is carried out for the Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) and an urban vehicle.

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.

Cette thèse s'intéresse au problème de la prédétermination des avalanches par couplage entre modélisation numérique et données historiques. L'assemblage s'effectue grâce au formalisme bayésien hiérarchique. La modélisation stochastique, l'inférence du modèle et la prédiction des aléas de référence sont clairement distinguées. L'échelle d'étude est tout d'abord celle d'un site avalancheux. Trois jeux d'hypothèses correspondant à différents compromis entre disponibilité des données et description de la propagation de l'avalanche sont proposés. L'incertitude liée à la méconnaissance du phénomène est combinée avec sa variabilité intrinsèque pour obtenir la loi de probabilité prédictive de la période de retour associée à n'importe quelle distance d'arrêt. Les distributions des autres variables caractérisant l'aléa sont également étudiées. Une analyse de sensibilité aux différentes hypothèses de modélisation est proposée. La prédétermination des fréquences avalancheuses sur des sites peu documentés et en contexte non stationnaire est ensuite traitée à l'échelle communale avec un modèle spatio-temporel. Celui-ci permet de quantifier les variations des occurrences avalancheuses dans les Alpes françaises au cours des soixante dernières années. Enfin, le problème du dimensionnement d'un ouvrage de protection est abordé. Le modèle stochastique est complété par les effets sur l'écoulement avalancheux d'une digue verticale et par une fonction de coût permettant l'optimisation de la hauteur de l'ouvrage. Le risque bayésien permet de ne pas séparer inférence et décision en prenant en compte l'erreur d'estimation pour le dimensionnement.

Face au défi énergétique actuel, les systèmes hybrides à énergie renouvelable apparaissent comme une solution potentielle pour la production d'électricité. Cependant, de nombreux verrous, comme par exemple le coût, l'intermittence de l'énergie produite ou encore la fiabilité de ces systèmes, empêchent le recours massif à l'utilisation de telles solutions. Afin de les surmonter, des solutions doivent être apportées aux deux problématiques majeures de ces systèmes que sont le dimensionnement optimal et la gestion de l'énergie. Cette thèse propose donc des solutions pour chacune de ces deux thématiques. La première partie de ce mémoire définit ces deux problématiques. Puis, avant de proposer certaines voies d'améliorations, les solutions déjà apportées sont analysées en soulignant leurs intérêts mais aussi leurs limites. La seconde partie détaille la solution apportée pour le dimensionnement optimal, en s'appuyant sur un système composé d'un générateur photovoltaïque (PV), de batteries et d'une pile à combustible (PàC). La solution repose sur l'utilisation d'une fonction de coût, d'un modèle énergétique permettant d'évaluer les contraintes subies par les composants et d'un algorithme génétique pour l'optimisation. A partir de deux cas d'études, les résultats d'optimisation sont donnés et l'intérêt du couplage PV-PàC est analysé. Les deux dernières parties présentent l'application du principe des systèmes multi-agents (SMA) pour la gestion d'énergie d'un système multi-sources. Le chapitre 3 expose l'intérêt de cette méthode et détaille sa mise en oeuvre. Ensuite, la création d'un modèle de simulation du système permet de valider le principe imaginé. Enfin, le dernier chapitre présente les résultats expérimentaux obtenus à partir d'un système composé de super-condensateurs, d'une batterie, d'un PV et du réseau. Pour la première fois, ces résultats montrent expérimentalement le fonctionnement d'un SMA pour la gestion d'énergie.

L'objectif de cette thèse est la gestion et le dimensionnement optimaux d'un Système de Stockage d'Énergie (SSE) couplé à une production d'électricité issue d'Énergies Renouvelables Intermittentes (EnRI). Dans un premier temps, un modèle technico-économique du système SSE-EnRI est développé, associé à trois scénarios types d'injection de puissance au réseau électrique : lissage horaire basé sur la prévision J-1 (S1), puissance garantie (S2) et combiné (S3). Ce modèle est traduit sous la forme d'un programme d'optimisation non linéaire de grande taille. Dans un deuxième temps, les stratégies heuristiques élaborées conduisent à une gestion optimisée - selon les critères de fiabilité, de productivité, d'efficacité et de profitabilité du système - de la production d'énergie avec stockage, appelée “charge adaptative” (CA). Comparée à un modèle linéaire mixte en nombres entiers (MILP), cette gestion optimisée, applicable en conditions opérationnelles, conduit rapidement à des résultats proches de l'optimum. Enfin, la charge adaptative est utilisée dans le dimensionnement optimisé du SSE - pour chacune des trois sources : éolien, houle, solaire (PV). La capacité minimale permettant de respecter le scénario avec un taux de défaillance et des tarifs de revente de l'énergie viables ainsi que les énergies conformes, perdues, manquantes correspondantes sont déterminées. Une analyse de sensibilité est menée montrant l'importance des rendements, de la qualité de prévision ainsi que la forte influence de l'hybridation des sources sur le dimensionnement technico-économique du SSE. / This thesis aims at presenting an optimal management and sizing of an Energy Storage System (ESS) paired up with Intermittent Renewable Energy Sources (IReN). Firstly, wedeveloped a technico-economic model of the system which is associated with three typical scenarios of utility grid power supply: hourly smoothing based on a one-day-ahead forecast (S1), guaranteed power supply (S2) and combined scenarios (S3). This model takes the form of a large-scale non-linear optimization program. Secondly, four heuristic strategies are assessed and lead to an optimized management of the power output with storage according to the reliability, productivity, efficiency and profitability criteria. This ESS optimized management is called “Adaptive Storage Operation” (ASO). When compared to a mixed integer linear program (MILP), this optimized operation that is practicable under operational conditions gives rapidly near-optimal results. Finally, we use the ASO in ESS optimal sizing for each renewable energy: wind, wave and solar (PV). We determine the minimal sizing that complies with each scenario, by inferring the failure rate, the viable feed-in tariff of the energy, and the corresponding compliant, lost or missing energies. We also perform sensitivity analysis which highlights the importance of the ESS efficiency and of the forecasting accuracy and the strong influence of the hybridization of renewables on ESS technico-economic sizing.

Dans le cadre de la motorisation électrique des véhicules dits « propres » (tels que les véhicules hybrides) où le cahier des charges est difficile à satisfaire, une dizaine d'équipes dans le monde prospectent des topologies de machines synchrones qui permettraient de combiner la souplesse de fonctionnement de la machine synchrone à excitation bobinée aux avantages de la machine synchrone à aimants permanents.<br />Parmi ces structures, nous trouvons la Machine Synchrone à Aimants Permanents à Concentration de Flux et à Double Excitation (MSAPConFDE) qui fait l'objet des travaux de recherche présentés dans cette thèse réalisée dans le cadre d'une coopération interuniversitaire entre le laboratoire SET de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard et le laboratoire SATIE de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan. On s'est intéressé, en premier lieu, à l'étude par la méthode des éléments finis de cette structure. Les modèles prennent en compte l'aspect tridimensionnel de la MSAPConFDE, l'anisotropie du feuilletage et la saturation magnétique. Ils ont permis d'approfondir la compréhension des phénomènes qui régissent le fonctionnement d'une telle structure et d'analyser les différents trajets de flux. En second lieu, des modèles analytiques, basés sur la méthode des schémas réluctants, ont été établis. Les trajets de flux tridimensionnels, la saturation magnétique et les différents trajets de fuites ont été pris en compte. Finalement, ces modèles ont été exploités dans une démarche de pré-dimensionnement optimal basée sur l'algorithme génétique. Les résultats obtenus nous encouragent à enrichir l'outil de pré-dimensionnement par de nouveaux modèles de machines synchrones et par différents algorithmes d'optimisation. Ceci permettra d'aboutir vers une plate-forme de logiciels pour le pré-dimensionnement optimal des machines synchrones pour un cahier des charges donné.

Dans le but de réduire la consommation d’énergie et d’augmenter la part des énergies renouvelables, la conception optimale des futurs bâtiments (bâtiments intelligents) apparaît comme un facteur important. Cette thèse vise donc à développer des modèles, des méthodes innovantes d’aide à la conception pour ces bâtiments. Notre nouvelle approche de conception est une optimisation globale et simultanée de l’enveloppe, des systèmes énergétiques et de leurs stratégies de gestion dès la phase d’esquisse, qui prend en compte plusieurs critères de coût (investissement et exploitation) et de confort (thermique, visuel et aéraulique). Le problème d’optimisation multi-objectif est donc un problème de couplage fort de grande taille avec de nombreuses variables et contraintes, qui induisent des difficultés lors de sa résolution. Après avoir fait des analyses sur des cas tests, une méthode d’optimisation d’ordre 1 est choisie, en association à des modèles analytiques dérivés formellement de manière automatique. Notre méthodologie est appliquée à la conception de maisons individuelles, et plus particulièrement des maisons à énergie positive. Les résultats obtenus par cette approche globale apportent des informations importantes aux concepteurs pour l’aider à faire des choix en phase amont du processus de conception. / In order to reduce the energy consumption and to increase the use of renewable energy, the optimal design of future buildings (smart-buildings) appears as an important factor.This thesis aims to develop models, innovative methods aiding decision-making during the design of buildings. Our approach of design is a global and simultaneous optimization of envelope, energy systems and their management strategies from the sketch phase, which takes into account multi-criterions of costs (investment et exploitation) and comforts (thermal, visual, aeraulic). The multi-objective optimization problem is so a strong coupling problem of large scale with a lot of variables and constraints, which leads to difficulties to solve.After the tests, an optimization method of order 1 is chosen in combination with analytical models formally derived automatically. Our methodology is applied to the design of individual houses, especially positive energy houses. The results of this global approach provide important information to designers to help make choices from the preliminary phase of the design process.