This dissertation addresses specific theoretical issues within Gotkovsky's Eolienne. She was a student of Messiaen, and his influence is evident in Eolienne, but at the same time, Gotkovsky's compositional voice is both personally distinctive and reflects l'esprit de temps of the twentieth century Parisian musical world. The research provides extensive analytical insight into Gotkovsky's musical language in Eolienne, specifically her use of symmetrical scales, emphasis on timbre, and formal constructs. Because there are limited scholarly resources available on the subject of flute and harp chamber music, and a small amount of biographical information on Gotkovsky, this dissertation is a significant contribution within the area of chamber music for flute, both historically and theoretically. It provides an analysis of Gotkovsky's musical language and the analysis gives performers access to musical-theoretical information previously unavailable.

La thèse résume la recherche sur le fonctionnement et l’écoulement autour d’une éolienne caréné à deux rotors. Le placement d’une turbine à l’entrée d’un canal divergent permet d’augmenter le débit massique à travers le rotor. Afin de mieux tirer parti de l’augmentation de la vitesse du vent à l’entrée du diffuseur, il a été décidé d’examiner la possibilité de placer un deuxième rotor, tournant dans le sens opposé, dans cette zone.L'étude menée combinait plusieurs voies de recherche différentes, y compris les méthodes de la mécanique des fluides numérique (CFD) et des études expérimentales. Cela a permis de mieux comprendre la nature de l'écoulement et du fonctionnement d'une éolienne à deux rotors. Des recherches expérimentales ont été menées dans la soufflerie de l’Institut de Turbomachinerie de l’Ecole Polytechnique de Lodz (Pologne). Une série de mesures de systèmes d'éoliennes divers, avec et sans carénage, à un et deux rotors, a été réalisée. Les résultats recueillis ont permis de confirmer que le carénage pouvait augmenter considérablement (même deux fois) l'efficacité du rotor. Cependant, les forces aérodynamiques et la vitesse de rotation augmentent également. Cet inconvénient peut être partiellement résolu en utilisant un deuxième rotor et en répartissant les charges aérodynamiques sur deux étages de turbine.Une partie importante de l'étude était les simulations numériques. Ils ont permis de préciser la nature et les paramètres de l'écoulement et d'estimer leur impact sur les performances de l'éolienne. Deux modèles numériques différents ont été développés:• Modèle rotor complet (anglais : Fully-resolved Rotor Model, FRM): modèle URANS dans ANSYS CFX, basé sur la discrétisation de la géométrie complète du rotor; ce modèle a été utilisé pour l'analyse de l’écoulement,• Modèle hybride CFD-BET (théorie de l’élément de pâle): modèle RANS dans ANSYS Fluent, dans lequel le rotor est représenté par les termes source dans les équations de Navier-Stokes, déterminés par un code interne; ce modèle a été utilisé pour évaluer les performances de différentes configurations d'éoliennes.Au cours de la recherche, une correction empirique interne de la perte d’extrémité de la pâle (anglais : tip loss correction) a été proposée, en tenant compte de l’influence du diffuseur. L’étude réalisée a permis d’observer, entre autres, que le déplacement du rotor en aval vers la sortie du diffuseur pouvait entraîner une réduction de la vitesse du vent à travers le rotor en amont, placé à l’entrée du diffuseur, et une diminution de la puissance globale du système. / Doctoral dissertation summarizes the research on the functioning and flow around a two-stage, shrouded wind turbine. Placing the turbine at the inlet of a diverging channel allows to increase the mass flow rate of the flow through the rotor. To better take advantage of the increase in wind speed at the diffuser inlet, it was decided to examine the possibility of placing a second rotor in this area, with the opposite direction of rotation.The conducted study combined several different research paths, including Computational Fluid Dynamics (CFD) methods and experimental studies. This allowed for a more refined understanding of the nature of the flow and operation of a wind turbine with two rotors. Experimental research was carried out in the IMP TUL wind tunnel. A series of measurements of various turbine systems with and without shroud, with single- and double-rotor wind turbine were made. The collected results allowed to confirm that the shrouding can significantly (even twice) increase the efficiency of the rotor. However, aerodynamic forces and rotational speed also increase. This disadvantage can be partially addressed by using a second rotor and distributing aerodynamic loads to two turbine stages.An important part of the study were numerical simulations. They allowed to specify in more detail the nature and parameters of the flow and to estimate their impact on the performance of the wind turbine. Two different numerical models were developed:• Fully-resolved Rotor Model: URANS model in ANSYS CFX, based on discretising the entire geometry of the rotor, used for the flow analysis,• Hybrid model CFD-BET (Blade-Element Theory): RANS model in ANSYS Fluent, in which the rotor is represented by source terms in the Navier-Stokes equations, determined by an in-house code; the model was used to evaluate the performance of different wind turbine configurations.In the course of the research an in-house, empirical tip loss correction was proposed, taking into account the influence of the diffuser. The performed study permitted to observe, among others, that moving the rear rotor towards the outlet of the diffuser may result in a reduction of the wind speed through the front rotor, placed at the inlet to the diffuser, and a decrease in the overall system power.

Les systèmes éoliens seront certainement amenés, à court terme, à contribuer aux services systèmes (compensation de la puissance réactive, stabilité du plan de tension,…) comme le font actuellement les alternateurs de centrales classiques. Ils seront également amenés à participer à l'amélioration de la qualité de l'énergie électrique, filtrage des courants harmoniques en particulier. De plus, vu l'augmentation de la puissance éolienne installée et fournie au réseau électrique, les éoliennes devront certainement assurer, à plus long terme, une continuité de service suite à un défaut électrique sur le réseau ou sur un des éléments de la chaîne de conversion électromécanique (interrupteurs de puissance, capteurs,…) afin d'améliorer leur fiabilité. Dans ces travaux de thèse, nous avons montré dans un premier temps qu'un système éolien basé sur une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) possédant un gain d'amplification entre les courants rotoriques et statoriques peut participer efficacement à l'amélioration de la qualité de l'énergie électrique en compensant simultanément de la puissance réactive et des courants harmoniques présents sur le réseau, sans pour autant nécessiter un surdimensionnement des éléments de la chaîne de conversion électromécanique. Ensuite, nous avons étudié des topologies dites “fault tolerant” de convertisseurs statiques triphasés et leurs commandes associées, permettant de garantir la continuité de service en présence de défauts éventuels d'un semi-conducteur ou d'un capteur de courant. Pour réduire autant que possible le temps de détection de défaut, nous avons ciblé un composant FPGA (Field Programmable Gate Array) pour le contrôle/commande “fault tolerant”. Les résultats de simulation, de prototypage “FPGA in the loop” et expérimentaux démontrent les performances des méthodes proposées / Wind Energy Conversion Systems (WECS) will probably be intended, in a short term, to provide ancillary services such as reactive power compensation, as done by conventional generators of power plants and/or participate in improving electric power quality by filtering harmonic currents. Furthermore, by considering the increased installed wind power, connected to the grid, WECS will certainly ensure, in long term, the continuity of service following an electrical fault on the grid or on one of elements of the electromechanical conversion (power switches, sensors…) to ensure their reliability. In this thesis, we have studied in the first part a WECS based on Doubly Fed Induction Generator (DFIG) with an amplification gain between the stator and rotor currents. We have demonstrated that such a WECS can efficiently improving the electric power quality by compensating simultaneously reactive power and harmonic currents on the grid, without requiring any oversized elements in the electromechanical conversion chain. Then, we studied fault tolerant converter topologies and associated controls, ensuring the continuity of service in the presence of possible faults of a semiconductor or a current sensor. To minimize the time fault detection, we used an FPGA (Field Programmable Gate Array) to implement the fault tolerant controller. Simulation, “FPGA in the loop” prototyping and experimental results have validated the performances of the proposed methods and fault tolerant topologie

La forte et rapide croissance de l'énergie éolienne à travers le monde a nécessité la mise en vigueur de nouveaux critères normalisés permettant de l'intégrer dans les réseaux électriques sans affecter la qualité et la stabilité du système, et qui peuvent demander aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence dans les réseaux en cas de besoin. Ainsi, les travaux présentés dans cette thèse visent à proposer une solution de loi de commande qui permette aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence du réseau. En analysant les limites des correcteurs classiques de types P, PI et PID, nous avons opté pour la commande LQ munie d'une approche multimodèle et qui a montré de bonnes performances aux résultats de simulation. Certaines améliorations ont été ajoutées à cette loi de commande du genre modèle de référence, action intégrale, ... afin de permettre une poursuite de puissance autour d'une référence donnée qui change selon la fréquence du réseau

Ces travaux de recherche visent à améliorer la modélisation par surface active afin de mieux représenter l'écoulement autour d'un rotor éolien. Une étude approfondie du développement du sillage à l'aval du profil de pale et du rotor éolien est réalisée en utilisant le modèle hybride proposé. Le modèle de surface active présente un couplage entre la méthode de l'élément de pale et un solveur de Navier-Stokes, faisant appel à un calcul itératif. Dans le solveur de Navier-Stokes les forces aérodynamiques appliquées par la pale en réaction à l'écoulement sont imposées sur la surface dite 'surface active' Dans la version initiale du modèle de surface active, les forces sont principalement représentées par la force normale au profil ; force répartie comme une discontinuité de pression sur la surface. Dans cette thèse, afin d'améliorer la reproduction du comportement aérodynamique, en plus de la discontinuité de pression, les forces tangentielles sont imposées comme des termes sources au voisinage de la surface active. Dans un premier temps, la méthode proposée est validée dans le cas de l'écoulement autour d'un profil éolien. Ainsi, le champ d'écoulement calculé par la méthode proposée est comparé avec la modélisation CFD utilisant la géométrie réelle du profil et cette comparaison montre un bon accord. La comparaison avec d'autres méthodes hybrides existantes est faite et montre que l'approche proposée représente mieux le champ d'écoulement autour du profil même aux angles d'incidence importants. Ensuite, la méthode proposée est utilisée pour étudier le développement du sillage proche d'une éolienne à axe horizontal. Les résultats de calcul sont comparés aux résultats d'essais effectués dans la soufflerie d'Arts et Métiers ParisTech. Dans ces expériences, le champ d'écoulement en aval du rotor éolien est mesuré en utilisant la vélocimétrie par images des particules (PIV). La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux montre un bon accord qui confirme la validité de la méthode proposé.

La forte et rapide croissance de l’énergie éolienne à travers le monde a nécessité la mise en vigueur de nouveaux critères normalisés permettant de l’intégrer dans les réseaux électriques sans affecter la qualité et la stabilité du système, et qui peuvent demander aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence dans les réseaux en cas de besoin. Ainsi, les travaux présentés dans cette thèse visent à proposer une solution de loi de commande qui permette aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence du réseau. En analysant les limites des correcteurs classiques de types P, PI et PID, nous avons opté pour la commande LQ munie d’une approche multimodèle et qui a montré de bonnes performances aux résultats de simulation. Certaines améliorations ont été ajoutées à cette loi de commande du genre modèle de référence, action intégrale, … afin de permettre une poursuite de puissance autour d’une référence donnée qui change selon la fréquence du réseau / The fast and big growth of wind power around the world required the implementation of new standardized criteria to integrate this kind of energy into electric networks without affecting the quality and stability of the system. These criteria could ask the wind turbines to participate in the network frequency control when necessary. Thus, the works presented in this thesis aim to provide a control law solution that allows wind turbines to participate the grid frequency control. By analyzing the limits of traditional regulators such as P, PI and PID, we opted for the LQ controller combined to a multi-model approach because of the good performances shown in the simulation results. Some improvements were added to this control law: reference model, integral action, ... to allow a power trucking for a given reference that changes with the grid frequency

La conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique fait appel à de nombreuses disciplines scientifiques (météorologie pour l'étude du comportement du vent, mécanique et chimie pour les contraintes et la composition des divers matériaux utilisés dans l'aérogénérateur, mécanique des fluides pour l'effet des masses d'air en mouvement sur les pales, électrotechnique pour la conversion électromécanique et l'adaptation de l'énergie électrique). C'est à la partie électrotechnique de cette chaîne de conversion qu'est consacré ce mémoire. <br />Après un bref rappel des concepts et équations régissant le fonctionnement d'un système éolien, ce document dresse un état de l'art des ensembles machines – convertisseurs utilisés dans l'énergie éolienne. <br />Une première étude montre les performances et les limites d'utilisation de la machine asynchrone à cage auto-excitée. Elle utilise une modélisation originale et simple où le modèle de la machine est complètement indépendant de celui de la charge et des capacités d'excitation. Les régimes équilibré et déséquilibré sont étudiés en simulation et validés expérimentalement.<br />Dans un deuxième temps, la réalisation d'un simulateur physique d'aérogénérateur est présentée. Celui-ci est destiné à placer les génératrices à l'étude dans des conditions proches de la réalité en les entraînant grâce à une machine à courant continu commandée de façon à reproduire les variations de couple d'une éolienne. <br />La troisième partie de ce mémoire est consacrée à la production d'électricité sur un réseau grâce à une machine asynchrone à double alimentation. L'originalité de cette machine, utilisée dans un système éolien, est de pouvoir contrôler l'échange de puissance entre le stator et le réseau en agissant sur les signaux rotoriques via un convertisseur bidirectionnel. Dans cette optique une commande vectorielle en puissances active et réactive statoriques est mise en œuvre. Cette commande est élaborée et testée en synthétisant trois types de régulateurs linéaires : Proportionnel- Intégral, RST basé sur la théorie du placement de pôles et Linéaire Quadratique Gaussien basé sur la minimisation d'un critère quadratique. Les performances du dispositif sont analysées et comparées en termes de suivi de consigne, robustesse, et rejet de perturbations.

Avec le développement de l'éolien, les prescriptions techniques de raccordement de cette technologie obligeront le maintient de sa connexion lors d'incidents sur la tension du réseau électrique. L'enjeu pour le gestionnaire du réseau est de pouvoir utiliser tous les générateurs pour garantir la stabilité du système électrique.A partir d'un modèle dynamique d'une éolienne à base de Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA), une commande vectorielle améliorée a été proposée en prenant en compte la dynamique du flux statorique engendrée par la chute de tension. Les performances supérieures en terme de maintient de la production ont été établies par comparaison avec la méthode de commande classique. Son domaine d'utilisation a été également déterminé.Pendant les creux de tension importants, une protection matérielle (crowbar) est implémentée avec un contrôle de la démagnétisation de la MADA. En outre, de la puissance réactive peut être produite à la fois par la MADA et par le convertisseur connecté au réseau électrique au cours de la défaillance du réseau.Un contrôle vectoriel à hystérésis des courants pour les deux convertisseurs électroniques multiniveaux est proposé et évalué pour améliorer la réponse dynamique de ces convertisseurs et pour réduire les effets des variations des paramètres sur les performances de la commande. Selon la durée du défaut, des objectifs différents de contrôle doivent être réalisés en priorité pour empêcher des surintensités rotoriques et pour fournir de la puissance réactive. Une reconfiguration complète du dispositif de commande de cette éolienne est détaillée pour renforcer le maintient de la production éolienne lors de défaillances

Ce travail présente une méthode de calcul de l'écoulement tridimensionnel instationnaire autour d'un rotor éolien. L'écoulement réel au travers du rotor est remplacé par un écoulement de fluide parfait au travers d'un système tourbillonnaire équivalent. Ce système comporte des tourbillons attachés aux pales et des tourbillons libres détachés des pales. Pour simplifier, la vorticité issue des pales est supposée concentrée dans deux tourbillons à l'extrémité et au pied de chaque pale. Pour calculer l'écoulement résultant et évaluer les efforts instationnaires exercés sur la structure du rotor, une méthode de sillage libre a été mise en œuvre. Dans cette méthode on utilise une description lagrangienne de l'écoulement. L'évolution du sillage à l'aval du rotor est obtenue en suivant l'évolution spatio-temporelle de marqueurs qui représentent les tourbillons issus de l'extrémité et du pied de chaque pale. Pour résoudre l'équation qui gouverne l'évolution du sillage et pour obtenir les positions des marqueurs, une méthode utilisant un schéma explicite prédicteur-correcteur du deuxième ordre est mise en œuvre. La méthode de sillage libre suppose un fluide parfait mais dans ce travail les effets visqueux sont pris en compte. Les vitesses induites par les lignes tourbillonnaires sont supposées limitées par une vitesse maximale du noyau tourbillonnaire. Les coefficients nécessaires pour représenter l'influence de la viscosité sont obtenus expérimentalement. La validation de la méthode proposée est réalisée par comparaison avec des résultats expérimentaux où l'écoulement en aval du rotor est exploré en utilisant la technique de vélocimétrie par image de particules (PIV).

Ce sujet de thèse s'intéresse à l'étude des effets des charges aérodynamiques sur le comportement dynamique non linéaire d'une éolienne à axe vertical de type Darrieus. Cette dernière présente, comparativement aux autres éoliennes, des profits très importants à exploiter, notamment dans les milieux urbains. Il s'agit d'une technologie fiable caractérisée surtout par son fonctionnement omnidirectionnel ainsi que son adaptation à tout type de vent. Généralement, ces éoliennes, ayant des phénomènes aérodynamiques complexes, sont affectées par des vibrations au niveau de leur système de transmission de puissance. En fait, ces vibrations commencent à se manifester à partir des pales du rotor jusqu'au génératrice. L'écoulement autour de ses pales présente également un fort caractère instationnaire. Cette caractéristique augmente d'avantage les vibrations aérodynamiques, qui sont automatiquement transmise au système d'engrenage d'éolienne. À ce niveau, nous avons développé un code de calcul numérique permettant de simuler la complexité des aspects aérodynamiques instationnaires tout en gardant un compromis entre la fiabilité des prédictions et la rapidité de calcul. Les simulations sont réalisées suivant une méthode de mécanique des fluides numérique (CFD) instationnaire bidimensionnel. Les résultats de simulation comparés avec ceux disponibles dans la littérature sont en bonne concordance, le rendement aérodynamique étant optimisé, qui présente un apport scientifique notable. Cette étude numérique a été l'objectif de l'analyse de l'impact des charges aérodynamiques vis-à-vis le comportement dynamique du système d'engrenage de l'éolienne en régime non-stationnaire. Dans ce contexte, une étude paramétrique a été développée afin d'établir le fonctionnement optimal de l'éolienne, caractérisé par un couple aérodynamique plus performant associé à des niveaux de vibrations dynamiques acceptables. En général, il est difficile d'identifier précisément la réponse dynamique des éoliennes à cause du caractère turbulent et stochastique des charges aérodynamiques. Par conséquent, il est indispensable de tenir en compte la variabilité des paramètres d'entrée pour assurer la robustesse du système étudié. Adoptons l'objectif de dimensionnement robuste. Une méthode d'évaluation basée sur des approches stochastiques, particulièrement la méthode du Chaos Polynomial, est utilisée pour simuler le comportement dynamique non-linéaire du système d'engrenage d'éolienne, en tenant compte des incertitudes. Ces dernières sont au niveau des charges aérodynamiques, inhérentes au calcul des niveaux vibratoires du système d'engrenage. Ce qui implique un apport scientifique important. Les résultats obtenus par l'approximation par Chaos Polynomial démontrent une forte dispersion des charges aérodynamiques aléatoires dans la réponse dynamique du système d'engrenage, contrairement aux études déterministes. Ce qui prouve l'insuffisance de telles études pour une analyse de robustesse. Les résultats mettent également en évidence la forte corrélation entre les phénomènes aérodynamiques complexes et les vibrations dynamiques. Le couplage établi constitue l'originalité de notre travail. / This thesis focuses on the study of the aerodynamic loads effects on the nonlinear dynamic behavior of Darrieus--type vertical axis wind turbine. The latter has received more attention due to its efficiency in urban regions compared to other wind turbines. In fact, the wind flow speed in urban regions continuously changes direction and is extremely turbulent. The inherent characteristics of its omni-directionality make it more suitable to harnessing this kind of flow. It is known that Darrieus wind turbine is characterized by an inherently unsteady aerodynamic behavior and a complex flow around rotor blades. The non-stationary behavior of the mentioned turbine increases vibration. These aerodynamic vibrations are transmitted to the gearing mechanism. We have, firstly, developed a numerical simulation, allowing to simulate the complexity of the unsteady aerodynamic phenomena keeping a compromise between the reliability of prediction and the rapidity of calculation. This numerical simulation has been carried out using a two-dimensional unsteady Computational Fluid Dynamics (CFD) method. Simulation results compared to those available in the literature are in good agreement. The Darrieus turbine efficiency is also optimized; thus introducing a significant scientific contribution. The latter is the objective of analyzing the aerodynamic load impact in the dynamic behavior of the Darrieus turbine in non-stationary regime. In this context, a parametric study has been developed in order to find optimal functioning of the studied turbine, which is characterized by the most performing aerodynamic torque associated with acceptable levels of dynamic vibration. In general, it is difficult to predict the dynamic response of the wind turbine with a good level of accuracy due to the aerodynamic loads turbulence and uncertain characteristics. It becomes necessary to take into account the uncertainty in the input parameters to ensure the robustness of the Darrieus turbine geared system. In a robustness study objective, the Polynomial Chaos method is adopted to predict the nonlinear dynamic behavior of the gearing system taking into account uncertainties which are associated to the performance coefficient of the input aerodynamic torque. This leads to an important scientific research contribution. The results have shown a large dispersion of the random parameter in the dynamic response of the gearing system compared to the deterministic study. That proves the insufficiency of that study for a robustness analyses. They have also proved that the Polynomial Chaos method is an efficient probabilistic tool for uncertainty propagation. Finally, the new proposed robust mechanical analysis indicates a good capacity to investigate the dynamic behavior of the Darrieus turbine thanks to its superior predictive capabilities in coupling complex aerodynamic phenomena with a mechanical gearing system vibration. Where the originality of such correlation in our work.