L’objectif de cette thèse est de développer des stratégies de commande non linéaire et robuste afin d’assurer une connexion avec succès des systèmes hydroliens dans un réseau électrique de forte puissance. Il s’agira en plus, d’étudier en simulation et en pratique le comportement dynamique de ses systèmes hydroliens commandés suite à des perturbations sévères. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la modélisation de tous les éléments de la chaine de production d’énergie hydrolienne, en partant de la marée jusqu’à la génératrice synchrone. Dans un second temps, nous avons proposé trois lois de commande non linéaire ; une pour un système hydrolien mono machine et les deux autres pour deux types de réseau électrique multi-machine. La stabilité de ces lois de commandes est prouvée en utilisant la méthode de Lyapunov et les propriétés spécifiques à la structure variable. La particularité de ces lois de commandes est qu’elles régulent simultanément la tension terminale et la fréquence en agissant uniquement sur l’excitation de la génératrice synchrone. Finalement, nous avons étudié en simulation le comportement dynamique des systèmes hydroliens commandés et les résultats obtenus sous perturbations électrique et mécanique ont montré l’efficacité de la commande proposée par rapport aux commandes CNL et AVR-PSS. Dans un souci de valider pratiquement ces résultats de simulation, la commande non linéaire proposée pour le système hydrolien mono machine est implantée sur un banc d’essai. Les résultats satisfaisants obtenus sous perturbations soutenues sont ensuite comparés à ceux obtenus pratiquement avec les commandes, CNL et AVR-PSS. / This thesis develops nonlinear and robust control strategies in order to ensure a successful connection of marine turbine systems into grid. In addition, it is a question to examine in simulation and practice the dynamic behavior of controlled marine turbine systems under severe perturbations. Firstly, we have modeled all production chain elements of marine turbine system. Secondly, we have proposed three nonlinear control strategies ; one for marine turbine system single machine connected to infinite bus and the both others for two multimachine electrical networks. The developed strategies control stability is proven mathematically by using Lyapunov method and one specific property of variable structure. These strategies control particularity is the two outputs regulation (terminal voltage and frequency) trough a single input (synchronous machine excitation). Finally, simulation results under mechanical and electrical perturbations are presented in order to highlight the robustness qualities of the proposed controllers compared to nonlinear controller CNL and classical AVR-PSS. In view of industrial applications, the proposed control for marine turbine single machine system is implemented on experimental bench. The obtained practical results under hard perturbations are very satisfactory. These results are used to realize a comparative study between the proposed control, the CNL and the AVR-PSS.

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L’Optimisation Topologique (OT) est un sujet en plein essor qui suscite l’intérêt de nombreux chercheurs depuis ces deux dernières décennies dans le domaine de l’électromagnétisme. L’OT représente une méthode très attrayante et originale car elle permet de trouver des structures innovantes sans aucun a priori. Ce travail de thèse est orienté vers l’OT des dispositifs électromagnétiques en approfondissant plusieurs aspects du sujet. Tout d’abord, un outil d’OT est développé et testé, à partir des outils existant au L2EP. En effet, l’OT requiert un outil d’éléments finis et un outil d’optimisation devant être couplés. Une méthodologie originale d’OT fondée sur les principes de la Méthode de Densité est développée et testée. Un cas test académique est utilisé afin de tester et valider le couplage des outils et la méthodologie. Une approche visant à prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux ferromagnétiques avec nos outils OT est également mise en place. Ensuite, la méthode est appliquée afin d’optimiser un électroaimant en 3 dimensions, représentant un cas test proche de la réalité. Ce cas test permet de comparer les résultats avec un comportement linéaire et non-linéaire des matériaux. Diverses topologies sont présentées, par rapport aux différentes formulations du problème. Par la suite, la méthodologie est appliquée à un dispositif électromagnétique plus complexe : une Génératrice Synchrone à Pôles Saillants. Cet exemple nous permet de voir comment la définition du problème d’optimisation peut grandement affecter les résultats d’OT. Quelques topologies sont présentées, et leur faisabilité est analysée / Topology Optimisation (TO) is a fast growing topic that has been sparking the interest of many researchers for the past two decades in the electromagnetic community. Its attractiveness lies in the originality of finding innovative structures without any layout a priori. This thesis work is oriented towards the TO of electromagnetic devices by elaborating on various aspects of the subject. First of all, a tool for TO is developed and tested, based on the ‘home-made’ tools available at the L2EP. As TO requires a FE and an optimisation tool working together, a coupling is done using both. Furthermore, a TO methodology is developed and tested, based on the Density Method. An academic cubic test case is used to carry out all the tests, and validate the tools and methodology. An approach is also developed to consider the nonlinear behaviour of the ferromagnetic materials with our TO tools. Afterwards, the methodology is applied to a 3D electromagnet, which represents a more real test case. This test case also serves to compare the results with linear and nonlinear behaviour of the materials used. Various topologies are presented, for different problem formulations. Subsequently, the methodology is applied to a more complex electromagnetic device: a Salient Pole Synchronous Generator. This example allows us to see how the problem definition can largely affect TO results. Some topologies are presented and their viability is discussed

De nos jours, l’exploitation des énergies renouvelables afin de générer de l’électricité est en croissance soutenue puisqu’elles sont à ressource illimitée, gratuites et ne provoquent pas de déchets ou d’émissions polluantes. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types d’énergie à savoir l’énergie issue des courants marins. Il s’agit plus particulièrement de s’intéresser à la commande tolérante aux défauts des systèmes de récupération de l’énergie des courants marins. Le potentiel de la production d'électricité à partir des courants marins est estimé à une production de 100 GW dans le monde. Cependant, ces chaînes de conversion d’énergie sont exposées et soumises à des contraintes fonctionnelles et environnementales importantes et sévères. Ces contraintes favorisent inévitablement la dégradation des performances des différents blocs fonctionnels de ces systèmes et l’accélération de leur processus de vieillissement, conduisant ainsi à l’apparition des défauts d’origines mécaniques et/ou électriques. Ainsi, la mise en place des techniques de commande tolérantes aux défauts de ces systèmes permettra d’améliorer la fiabilité, les performances et réduire les coûts relatifs au fonctionnement en mode dégradé et aux opérations de maintenance. Le but des travaux de cette thèse est l’étude, la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion hydrolienne à vitesse variable dans le cas sain et le cas d’un défaut (soit au niveau de la machine synchrone à aimants permanents (défaut de la désaimantation) ou au niveau du convertisseur statique (défaut d’un circuit ouvert d’un interrupteur). Il s’agira donc d’étudier les différentes commandes tolérantes aux défauts utilisées en cas d’un défaut au niveau de la génératrice ou au niveau de l’électronique de puissance associée. / Nowadays, the exploitation of renewable energies in order to generate electricity is growing steadily because they are unlimited resources, free and don’t cause waste or polluting emissions. In this context, it is proposed to study one of these types of energy, which is marine currents energy. In particular, we are interested in fault-tolerant control of tidal turbines. The potential for power generation from marine currents is estimated at 100GW in the world. However, tidal turbines are submitted to severe operational and environmental constraints. These constraints inevitably will lead to these systems performance degradation and the acceleration of their aging process, thus leading to the occurrence of mechanical and/or electrical faults. The implementation of fault-tolerant control techniques will improve the tidal turbines reliability, performance, and reduce costs relating to maintenance operations. The aim of this thesis is to study, model, and simulate a tidal turbine system in healthy and faulty conditions (either in the converter (switch open circuit) or in the permanent magnet synchronous generator (magnet failure). Various fault-tolerant control approaches are therefore evaluated and compared under these specific failure It will therefore be necessary to study the various fault-tolerant controls used in the event of a fault in the generator or in the associated power electronics.