Ce mémoire traite de la problématique d’hybridation éolienne-hydrolienne. Elle pose d’abord l’hypothèse d’une éolienne basée sur une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) et une hydrolienne utilisant une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA). Puis, elle présente la modélisation des différents éléments qui composent chacune des chaines de conversion, de la turbine à la connexion au réseau en passant par la machine électrique et les convertisseurs statiques. Des stratégies de commande y sont aussi développées. Celles-ci permettent d’extraire le maximum d’énergie tout en tenant compte des limites des systèmes. La thèse étudie également deux possibilités de couplage d’une éolienne et hydrolienne qui toutes deux utilisent une MSAP. Les résultats de simulation obtenus des modèles que nous avons développés dans l’environnement Matlab/Simulink/ SimpowerSystem permettent de valider les stratégies de commande utilisées et de conclure qu’un bon choix serait d’opter pour le couplage au niveau du bus continu. / AThis thesis addresses the problem of wind-tidal turbines hybridization. It first raises the hypothesis of a wind turbine based on Synchronous Permanent Magnet Machine (PMSM) and a tidal using a Double-Fed Induction Generator (DFIG). So, it presents the modeling of different elements that make up each system studied, from the turbine to the network connection through the electric machine and static converters. Control strategies are also developed. These are used to extract the maximum energy while taking into account the limitations of the systems. The thesis also examines two possible coupling of wind and tidal turbines which both use a PMSM. The simulation results of the models that we have developed in Matlab / Simulink / SimpowerSystem allow to validate the control strategies and conclude that a good choice would be to opt for coupling to the DC bus.

Le but de cette thèse est le développement et l'optimisation de la chaine électrique d'une hydrolienne fluviale. L'approche est d'abord traitée en simulation pour ensuite finir par la conception et la mise au point d'un prototype. La partie simulation concerne la modélisation des ensembles turbines, génératrices et électronique de puissance mais aussi le développement des diverses lois de commandes. Ces commandes peuvent intervenir à différents niveaux du contrôle jusqu'à la supervision complète du système, permettant de gérer des défauts, des algorithmes de MPPT (extraction maximale de puissance), des synchronisations entre colonne, ... Le prototype d'hydrolienne fluviale sera ensuite présenté, de la mise au point des parties mécaniques jusqu'aux résultats expérimentaux. Les travaux nombreux autour de ce prototype ont permis d'obtenir des résultats satisfaisants et encourageants qui corroborent la théorie.

Le but de cette thèse est le développement et l'optimisation de la chaine électrique d'une hydrolienne fluviale. L'approche est d'abord traitée en simulation pour ensuite finir par la conception et la mise au point d'un prototype. La partie simulation concerne la modélisation des ensembles turbines, génératrices et électronique de puissance mais aussi le développement des diverses lois de commandes. Ces commandes peuvent intervenir à différents niveaux du contrôle jusqu'à la supervision complète du système, permettant de gérer des défauts, des algorithmes de MPPT (extraction maximale de puissance), des synchronisations entre colonne, ... Le prototype d'hydrolienne fluviale sera ensuite présenté, de la mise au point des parties mécaniques jusqu'aux résultats expérimentaux. Les travaux nombreux autour de ce prototype ont permis d'obtenir des résultats satisfaisants et encourageants qui corroborent la théorie. / The purpose of this thesis is the development and optimization of the electrical system of a fluvial cross-flow current turbine. The approach is first treated in simulation and then eventually with the design and development of a prototype. The simulation section deals with the modeling of turbines groups, generators and power electronics, as well as the development of various control laws. These controls may have an influence at different levels of the control strategies up to the complete system supervision for fault management, MPPT (maximum power extraction) algorithms, turbine columns synchronization... The fluvial cross-flow current turbine prototype will then be presented, from the development of the mechanical parts to the experimental results. The various works involving the prototype have yielded satisfactory and encouraging results that corroborate the theory.

L'exploitation de l'énergie cinétique des courants marins ou fluviaux est une source d'énergie prometteuse et renouvelable. Les performances hydrodynamiques des hydroliennes sont à ce jour bien connues et l'attention se porte sur la compréhension des phénomènes de parc et l'interaction entre machines. Ce document présente la construction d'un modèle simplifié (ou méthode d'équivalence) pour les turbines à axe de rotation vertical. Une étape préliminaire consiste à valider l'utilisation de la méthode de maillage rotatif proposée par Code_Saturne (solveur CFD open source). La simulation de la turbine Darrieus/Achard A10 en 2D met en évidence une bonne concordance des mesures expérimentales (PIV). Cet outil sert dans une seconde étape à mettre au point un modèle simplifié de ces mêmes turbines. Celui-ci consiste à représenter la turbine dans l'écoulement par son équivalent en termes sources de quantité de mouvement sur la base d'une paramétrisation efficace des données empiriques. La méthode est validée pour une large plage de vitesses de rotation et de confinements, et sur plusieurs machines. La représentation du sillage par par les deux méthode de simulation est ensuite étudiée en détail. Des mesures par la technique de LDV dans le sillage proche d'un modèle réduit sont effectuées et établissent une référence expérimentale nécessaire pour ce type de machine. La dépendance forte des deux méthodes de simulation aux paramètres et aux modèles de turbulence est constatée. Deux phénomènes principaux sont relevés : la diffusion turbulente et les instabilités à grandes échelles. Des calculs de rendement sur des dispositions de machines variables illustrent l'applicabilité du modèle. Ils mettent notamment en avant l'effet positif de l'intensité turbulente ambiante sur le rendement dans un parc. / Harnessing kinetic energy from oceans or rivers is a promising source of renewable energy. The hydrodynamical performance of water turbines is well known and the focus is now on array optimization and turbine interaction. The present document aims to introduce a new modeling solution for vertical axis water current turbine of Darrieus/Achard type and its construction methodology. A preliminary stage consists in the validation of the new sliding mesh method available in Code_Saturne, EDF CFD open source solver. The good results obtained by comparison with PIV measurements on the Achard type turbine allow the use of this method as a reference tool. The second stage sees the construction of an equivalence model for the Darrieus turbine using momentum source terms. These terms are calculated thanks to an efficient parametrization of empirical data. The comparison of the model with full geometry calculation shows a good agreement in terms of power for a wide range of rotational velocity and blocking ratio. LDV measurements in the near wake of a small scale Achard turbine give a necessary reference set of data. The wake given by both simulations is strongly dependent of turbulence parameters or models, with the cohabitation of two main phenomena : momentum turbulent diffusion, and large scale fluctuations. To conclude, a calculation of the power output for several turbine distributions in an array illustrates the model capability.

Ces travaux de thèse concernent l’étude de l’ensemble de la chaîne de puissance d’un système hydrolien utilisant des systèmes de stockage d’énergie pour améliorer la qualité de la puissance produite et la capacité de gestion des échanges d’énergie. Dans un premier temps, les différentes technologies de stockage d’énergie et leurs applications pour lisser les fluctuations de la puissance produite par le système hydrolien sont étudiées et comparées. Ensuite, une stratégie de lissage des fluctuations de la puissance, dues à l’effet de houle (fluctuations de courte durée), est proposée : elle associe une stratégie MPPT avec filtrage (au niveau de la génératrice) à l’utilisation de supercondensateurs pour lisser la puissance injectée au réseau. Puis il est proposé d’utiliser des batteries à circulation d’électrolyte pour la gestion quotidienne de la puissance d’une hydrolienne dans le contexte d’un réseau électrique isolé. Un système hybride hydrolien/batteries/diesel est étudié pour deux configurations simples : le cas d’une alimentation avec une hydrolienne comme sources principales et le cas où les générateurs diesels sont considérés comme sources dominantes. Enfin, des stratégies de limitation de puissance basées sur le défluxage de la génératrice pour contrôler la puissance de l’hydrolienne dans le cas de vitesses de courants marins élevées sont proposées. Dans ce contexte, le contrôle à puissance constante et à puissance maximale en cours de défluxage sont comparés. L’influence des paramètres de la génératrice sur les caractéristiques de fonctionnement commun de la turbine et la génératrice est également étudiée. / This PhD thesis models the whole power chain of a marine current turbine (MCT) system and investigates the use of energy storage devices to improve power quality and energy management capability. First, various energy storage technologies concerning their applications to address the power fluctuation phenomena in tidal current generation system are reviewed and compared. Then, a two-stage power smoothing control strategy for compensating swell-induced short-time fluctuations is proposed. The proposed control strategy uses a modified MPPT with filter strategy on the generator-side and supercapacitors on the grid-side for injecting a smoothed power to the grid. Afterwards, a flow battery system for daily energy management of a hybrid MCT/battery/diesel system is proposed. The MCT dominant power supply case and an island power supply (with diesel generators as the main source) are investigated. Finally, power limitation controls with a robust flux-weakening strategy for a PMSG-based non-pitchable MCT system are proposed for over-rated marine current speed periods. In this context, the constant power control and maximum power control modes at the flux-weakening stage are compared; and the influence of the generator parameters on the joint operating characteristics of the turbine and generator are also discussed.