La Théorie de la Relativité (TRR), est une théorie particulièrement contre-intuitive dont les implications sont inaccessibles à l'expérience sensible humaine ; ce qui pose un certain nombre de difficultés de compréhension aux étudiants. Cependant, la Réalité Virtuelle (RV) offre une approche intéressante en permettant à un utilisateur d'être immergé et d'interagir dans un monde virtuel où la vitesse de la lumière est ramenée à 1 m/s. Les phénomènes relativistes deviennent ainsi directement accessibles par ses sens. Cette caractéristique, point départ de nos travaux, permet alors d’appréhender les phénomènes relativistes par une expérience « par la pratique ». L'enjeu de notre travail porte plus précisément sur la définition de moyens et de méthodes intégrés dans une plate-forme immersive permettant d'appréhender les phénomènes relativistes. Dans ce contexte, nous proposons, tout d’abord, des méthodes novatrices pour simuler les phénomènes relativistes sur un nombre quelconque d'objets en mouvement arbitraire et tenant compte de la dynamique relativiste des objets dans la scène, notamment durant leurs interactions. Nous nous focalisons sur les effets qui déforment les objets vus par l'observateur, à savoir le délai de propagation des photons, la relativité des longueurs et l'effet d'aberration. Nous définissons ensuite des méthodes pour intégrer une simulation relativiste dans un environnement immersif basé intrinsèquement sur un monde newtonien. Nous proposons également une plate-forme expérimentale dans laquelle sont intégrées des méthodes d'interaction utilisées pour mettre en scène un « jeu sérieux », ici un billard relativiste. Enfin, nous démontrons la portée de notre outil expérimental par deux voies : l'une concerne l'utilisation de l'application dans des évaluations de didactique et l'autre concerne un exemple d'extension de l'outil pour mettre en lumière un autre aspect de la Physique relativiste : la relation entre vitesse et énergie. / The Theory of Special Relativity (TSR) is a particularly counterintuitive theory. Its implications are, by nature, out of reach by human experience. Therefore we cannot perceive its effects directly, thus raising problems of comprehension for the students confronted to it. However, Virtual Reality (VR) enables us to overcome this limitation by immersing a user into a world where the velocity of light is reduced to 1 m/s. As a result, the relativistic phenomena become directly perceivable through our senses. This possibility, which is the cornerstone of our work, brings a unique way to apprehend the relativistic phenomenon trough a "hands-on" experiment.In this context, we propose, first, innovative methods to include relativistic effects in simulation containing any number of objects moving in an arbitrary direction and velocity and taking into account the relativistic dynamics of the objects, including object-to-object interaction. We focused on the relativistic phenomenon involved in the deformation of objects: the delay of propagation of the photons from the light source to the observer, as well as the relativity of length and the aberration of light. We describe, second, methods to integrate the simulation techniques, previously introduced, into an immersive environment intrinsically based on Newtonian physics. We also provide interaction methods and a concrete application in a serious game framework: a relativistic carom billiard. Finally, we demonstrate the possibilities of our platform are demonstrated in two ways: one tackles usage in the context of learning evaluation and the other is an extension of the tool to access new pieces of information relevant to TSR, such as the force profile used to launch an object with a relativistic velocity.

Cette thèse traite de modélisation des systèmes complexes. Dans ce cadre, l'approche est basée sur les Modèles Structurés en Second Ordre (MSSO). Afin d'utiliser cette classe de modèles, les propriétés telles que l'atteignabilité, l'observabilité et les grammiens, bien connues pour les réalisations d'états, sont étendues aux MSSO.Lors de la co-simulation d'un système, des éléments de natures différentes (physiques et logicielles) sont intégrés et la simulation est effectuée en temps réel. Or, les modèles d'ordre élevés sont couteux en temps de calcul, ce qui rend difficile ce type de simulation. Ainsi, des méthodes de réduction de modèle sont explorées. En particulier, de nouvelles méthodes, permettant de préserver la structure des modèles avec une bonne erreur d'approximation sont présentées.Ces développements sont appliqués à la co-simulation de modèles véhicules sous forme de MSSO. Le modèle créé est un modèle par blocs, complexe et non-linéaire. Afin d'appliquer les méthodes de réduction de modèle il est nécessaire de le linéariser. La structure par blocs permet de linéariser l'ensemble du modèle ou de ne linéariser que certaines sous parties du modèle.Ensuite, l'identification des paramètres est effectuée pour chaque sous-systèmes du véhicule. Une méthode d'interconnexion est ensuite proposée pour créer une représentation monobloc du modèle afin de réduire ce dernier. Au final, des essais en co-simulation de la partie arrière du véhicule sous forme de modèle interconnectée avec la partie avant du véhicule physiquement présente sur un banc de test, valide notre approche pour effectuer de la co-simulation temps réel avec matériel.x / This thesis studies the modeling of complex systems. In this framework, the approach is based on Second Order Form Model (SOFM). In order to use this kind of models, properties such as the reachability, the observability, the gramians and the Markov parameters, well known for state-space representation, are extended to the SOFM. During the co-simulation of a system, its physical parts are interconnected to models which simulate the system environement and the simulation is performed in real time. However, the simulation of high order models consumes to much time to be performed in real time. Therefore, model order reduction methods are studied. Particularly, new methods preserving SOFM structure with a good approximation error are presented. These developments are applied to the vehicle dynamic. Hence, a vehicle SOFM model is developed. The created model is a blockwise model where each blocks describes a part of the vehicle. This model is complex and non-linear. In order to apply the model order reduction methods, model linearisation is necessary. The block modeling allows to linearise the full model or allows to linearise some part of the model. Then, the identification of the model parameters is done by vehicle sub-system. In addition, an interconnection method is proposed to build a monobloc model in order to reduce it. Finally, co-simulations of the model vehicle rear part interconnected to the physical front part of the vehicle show the capacity to make co-simulation with the reduced models.

L’intégration des énergies renouvelables a conduit à introduire la notion d’utilisation locale de ces nouvelles sources de production. Nous pouvons définir le paradigme de microréseau comme une agrégation de plusieurs sources d'énergie distribuée qui peuvent alimenter leurs charges locales. Ces microréseaux peuvent être îlotables pour garantir la continuité de service et l’alimentation des charges. Pour assurer la fiabilité du réseau, une stratégie de protection des générateurs et du microréseau lui-même a été proposée. Dans ce mémoire, les points communs et les différences entre les générateurs classiques et les générateurs connectés au réseau à l’aide de convertisseur d’ d’électronique de puissance sont présentés. Ensuite, nous présentons la conception d’une source de tension à base d’une micro-turbine à gaz comme source d’énergie primaire contrôlable. Nous étudions les possibilités pour le générateur de demeurer connecté dans les conditions du creux de tension (fault-ride-through) tout en étant protégé contre les surintensités. Nous avons proposé deux solutions différentes permettant de limiter ces courants du générateur. De plus, pour assurer la continuité d’alimentation des charges en deux modes de fonctionnement, nous avons intégré un détecteur de l’ilotage basé sur le relais ROCOF dans le système de commande du générateur. Une validation expérimentale pour ces travaux a été réalisée en utilisant la simulation temps réel PHIL. Finalement, un plan de protection coordonnée valide dans les deux modes de fonctionnement et avec les différents types de source est présenté. Cette stratégie a été testée sur un exemple de microréseau simulé sur le simulateur temps réel / The integration of renewable energy has led to introduce the concept of local use of these new production sources. We can define the Microgrid paradigm as an aggregation of several distributed power sources that can supply their local charges. These microgrids may be islanded to ensure the continuity for supplying the loads in both operation modes. To provide the reliability of the network, a strategy to protect the generators and the Microgrid itself has been proposed. In this thesis, the similarities and differences between conventional generators and the generators connected to the network using the power electronics converter are firstly presented. Then, we present the design of a voltage source connected by a power electronic converter and LC filter, based on gas micro-turbine as the controllable primary energy source. We study the possibilities for the generator to remain connected in case of voltage sags (fault-ride-through) while being protected against the overcurrents. We have proposed two different solutions to limit these generator currents. In addition, to ensure continuity of supply the loads in two operation modes, we integrated an islanding detector based on the ROCOF (Rate Of Change Of Frequency) relay in the control system. An experimental validation for this work was realized using PHIL (Power Hardware in the Loop) real-time simulation. Finally, a coordinated protection plan valid in both operation modes and with different types of sources was presented. This strategy was tested on a simulated example of microgrid on real-time simulator

La notion d'instrumentalité peut être définie comme la relation corporelle entre un humain et un objet physique, dit instrument. Ce corps à corps intime, qui adresse simultanément les différents canaux sensoriels d'action et de perceptions humaines, constitue un vecteur pour la connaissance enactive. Cette relation instrumentale joue notamment un rôle clé pour la richesse expressive des instruments musicaux.Dans le contexte informatique, un vaste champ de recherche concerne l'interaction sensorielle avec des entités virtuelles par le biais de capteurs et d'actionneurs, notamment l'interaction gestuelle avec les systèmes à retour d'effort. D'une part, les Réalités Virtuelles, historiquement centrées sur la visualisation, focalisent essentiellement l'interaction gestuelle sur des propriétés spatiales, souvent au détriment de qualités dynamiques. D'autre part, les Instruments Musicaux Numériques sont essentiellement centrés sur le contrôle interactif de processus de synthèse sonore numériques, basés sur le traitement de l'information. Ces deux scénarii synthétisent des phénomènes sensoriels destinés à différents canaux perceptifs selon une approche multimodale, l'objet virtuel étant décomposé en sous-parties, liées entre elles par des relations de contrôle.Il est néanmoins possible de concevoir des systèmes permettant l'interaction instrumentale avec un objet virtuel simulé, avec une cohérence énergétique bidirectionnelle totale, du geste au son et réciproquement. Il est alors nécessaire de regrouper (a) un formalisme de modélisation physique permettant la création d'objets virtuels intrinsèquement multisensoriels, possédant à la fois des propriétés visuelles, acoustiques et haptiques, (b) des systèmes à retour d'effort de grande performance dynamique et (c) des architectures de calcul spécialisées, permettant une boucle de simulation synchrone réactive à haute vitesse.Le travail de cette thèse consiste en l'extension et la convergence des concepts et techniques ci-dessus pour la mise en œuvre d'une plateforme de création musicale instrumentale, dite MSCI (modeleur-simulateur pour la création instrumentale), en proposant une répartition multifréquence du calcul de simulation des instruments virtuels sur une nouvelle architecture matérielle synchrone. Un environnement de modélisation permet de concevoir intégralement l'instrument virtuel sur des principes mécaniques et physiques et de configurer le couplage physique entre celui-ci et l'utilisateur du monde réel lors de la simulation à retour d'effort.Il adresse entre autre la question de la répartition de la chaine instrumentale en zones à caractère majoritairement non-vibrant, dont la dynamique est de l'ordre du geste sensori-moteur humain, et en zones vibrantes, productrices du son. Ces deux parties de l'instrument peuvent être simulées à des fréquences différentes, adaptées aux phénomènes physiques dont elles sont le siège. Dans le cadre d'un formalisme de simulation physique garantissant la cohérence énergétique des objets simulés, la séparation multifréquence est une problématique nouvelle qui nécessite d'être abordée avec précaution, pour des questions de respect du couplage physique ainsi que de stabilité numérique.Il s'agit, à notre connaissance, du premier environnement de création musicale par modélisation physique modulaire permettant la manipulation instrumentale d'instruments virtuels multisensoriels, respectant une cohérence énergétique entre homme et instrument, et permettant de jouir du potentiel créatif de la synthèse sonore tout en retrouvant l'intimité et la richesse de l'interaction gestuelle instrumentale. Au delà du cadre musical, ce travail pose les bases et les outils technologiques pour un véritable art multisensoriel, adressant conjointement la vision, l'oreille ainsi que le geste humain. / The notion of instrumentality can be defined as the corporal relationship between a human and a physical object, called an instrument. This intimate situation simultaneously addresses the various human action and perception sensory canals, and constitutes a vector for enactive knowledge. In particular, this instrumental relationship plays a key role in the expressiveness of musical instruments.In the digital context, a vast area of research concerns sensory interactions with virtual entities, by means of sensors and actuators, including gestural interaction with force feedback systems. On the one hand the Virtual Reality domain, historically focused on visual aspects, generally focus gestural interaction on spatial features, often losing the focus of dynamic features. On the other hand, Digital Musical Instruments are essentially centered on interactive control of digital sound synthesis processes, grounded in information technologies and signal processing. These two approaches synthesize sensory phenomena destined to different perceptive channels following a multimodal approach, the virtual object being decomposed into subsections, linked together by control relations.It is however possible to conceive systems that allow for instrumental interaction with a virtual simulated object, maintaining total and bidirectional energetic coherence, from gesture to sound and reciprocally. In this case, it is necessary to bring together (a) a physical modeling formalism that allows creating intrinsically multisensory virtual objects that possess visual, acoustical and haptic properties, (b) force feedback systems with high dynamic performances and (c) specialized computation architectures that allow for a reactive, high rate synchronous simulation loop.The work of this thesis consists in the extension and convergence of concepts and techniques hereby mentioned here-above, in order to create a platform for instrumental musical creation, named MSCI (Modeleur Simulateur pour la Création Instrumentale), proposing a multi-rate architecture for the simulation of virtual musical instruments on a new dedicated simulation architecture. A modeling environment allows complete design of the virtual instrument based on mechanical and physical principles, and to configure the haptic coupling between this instrument and the user during the force-feedback simulation.Notably, it addresses the separation of the instrumental chain into zones which present mostly non-vibrating phenomena within a dynamic range close to the human sensory-motor gesture, and zones which vibrate at acoustical rates, producing sound. These two sections of the instrument may be simulated at different rates, adapted to the physical phenomena that they give birth to. In the scope of a physical modeling formalism that guarantees the energetic coherence of simulated objects, this multi-rate separation is a new topic that requires careful handling, in terms both or respect of the physical coupling and of numerical stability.To our knowledge, this is the first environment for musical creation by means of physical modeling that allows for instrumental manipulation of multisensory virtual instruments, respecting an energetic coherence between the human and the instrument, and therefore allowing embracing the creative potential of digital sound synthesis while disposing of the intimacy and expressiveness of instrumental gestures. Beyond the musical scope, this work provides the basis and the technological tools for the emergence of a true multisensory form of art, jointly addressing vision, hearing and gesture.

Les îles Galápagos sont un archipel d'îles volcaniques situées dans l'océan Pacifique, à 926 km à l'ouest de l'Equateur continental, dont elles font partie. Depuis 1978, les îles Galápagos sont déclarées patrimoine mondial. En raison de la croissance de la population, il existe plusieurs problèmes sociaux, économiques et environnementaux qui risquent la conservation de l'environnement des îles. Dans ce contexte, le gouvernement équatorien veut préserver son patrimoine écologique. Par conséquence, avec la participation de divers acteurs, principalement le ministère de l'Énergie et des Énergies renouvelables, il effectue plusieurs initiatives. Afin d'améliorer les services fournis sur les îles, cet objectif sera accompli grâce à la réduction de la consommation de carburants fossiles et donc des émissions de CO2. Donc, cette thèse a analysé l'impact des nouveaux services sur le réseau électrique, comme le remplacement obligatoire des véhicules conventionnels et des cuisinières pour des solutions efficaces et la proposition des solutions pour réduire les problèmes négatifs sur le réseau. En outre, une forte intégration de la génération distribuée a été considérée dans l'analyse. De plus, des solutions innovantes pour basse et moyenne tension ont été conçues et testées afin d’améliorer le service électrique sans affecter l'environnement et conserver ce patrimoine mondial. Par exemple, un programme DSM intelligent composé d'un schéma de temps d'utilisation (TOU) combiné avec la réponse de la demande (DR) a montré des résultats intéressants, l'installation d'un système de stockage d'énergie de batterie a également été testée, et les résultats de moyenne tension sont prometteurs. Un système de commutation automatique de phase a été adapté comme une solution pour réduire le déséquilibre en basse tension avec des résultats impressionnants. Le déploiement des réenclencheurs a démontré une amélioration considérable de la fiabilité avec un retour d’investissement très court. Considérant les technologies de l'information et de la communication, une pièce clé pour déployer Smart Grids, l'architecture de communication des réseaux de NAN/FAN/HAN a été abordée. Enfin, un Système de Gestion d’Energie pour la gestion optimale de l'énergie à Galápagos a été conçu. Toutes ces études représentent un défi important : la gestion optimale de l'électricité de réseau isolée sans énergie fossile. / The Galápagos Islands are an archipelago of volcanic islands located in the Pacific Ocean, 926 km west of continental Ecuador, of which they are a part. Since 1978, Galapagos Islands are accepted as Heritage World, due to the growth of the population, there are several social, economic and environmental problems, which endanger the environment conservation of the Islands.In this context, the Ecuadorian government desires to preserve its ecological heritage. Hence, with the participation of several stakeholders mainly the Ministry of Energy and Renewable Energy, it is releasing a lot of initiatives. In order to improve the general services that are provided in the islands, this goal will be achieved by means of reducing fossil fuel consumption and therefore CO2 emissions. Thus, this thesis has analyzed the impact of new services on the grid such as the mandatory replacement of conventional vehicles and cookers for efficient ones and to propose solutions for reducing negative issues originated on the network. Also, a strong integration of distributed generation is considered in the analysis.In addition, innovative solutions for both low and medium voltage have been designed and tested for improving the electrical service without affecting the environment and conserving this world heritage. For instance, a smart DSM program composed of Time of Use scheme combined with Demand Response has shown interesting results, the installation of a Battery Energy Storage System has been studied as well; the results in Medium Voltage are promising. An Automatic Phase Switching system is adapted like a solution for reducing unbalance in low voltage with impressive results. The deployment of reclosers has demonstrated a considerable improvement in the reliability with a Return on Investment very short.Considering the Information and Communication Technologies a key piece to deploy Smart Grids, the communication architecture of the Neighbor, Field and Home Area Networks is addressed. As last, an Energy Management System for performing optimal energy management within Galapagos is designed. All these studies have a significant challenge: the optimal management of electricity of isolated grid with zero fossil energy.

Dans le contexte politique et économique actuel, les dispositifs à base<br />d'électronique de puissance occupent une place grandissante dans les réseaux électriques pour<br />le réglage de tension, la qualité d'énergie et l'interfaçage des producteurs pour ne citer que<br />ces applications. Le système à base d'électronique de puissance vit dans un dispositif plus<br />complexe pouvant être constitué par exemple d'un groupe de production, d'un système de<br />stockage d'énergie, d'une ou plusieurs source primaire énergie et de différents niveaux de<br />contrôle. Tous ces composants interagissent avec le réseau et les perturbations agissent dans<br />les deux sens. Il est donc nécessaire de bien étudier ces systèmes et ce, dans leur<br />environnement réseau. Des simulateurs temps-réel ont été ainsi développés et utilisés pour le<br />prototypage, l'analyse de modes dégradés, la validation d'algorithmes de contrôle...<br />Cependant, si ces simulateurs présentent des avantages indéniables pour le test d'équipements<br />physiques, la simulation en temps-réel des dispositifs à base d'électronique de puissance<br />demeure très problématique. A cet effet, des méthodes novatrices ont été élaborées dans cette<br />thèse et un banc expérimental a été conçu et réalisé pour tester des contrôleurs de systèmes<br />d'électronique de puissance à modulation de largeur d'impulsions. De plus, afin de pouvoir<br />tester des équipements de puissance, des simulations temps-réel hybrides ont été également réalisées.

Les réseaux de transport d’électricité multi-terminaux à courant continu se révèlent être la solution adéquate pour une intégration massive d’énergie renouvelable dans les réseaux alternatifs existants. En effet, les réseaux en courant continu sont capables de transmettre de manière efficace des niveaux de puissance élevés sur de très longues distances par rapport aux réseaux alternatifs car, à partir d'une certaine puissance à transmettre, il existe une distance limite à partir de laquelle la transmission d’énergie en courant alternatif perd sa compétitivité face à la transmission en courant continu. L'un des principaux défis liés au développement de ces réseaux de transport d’électricité à courant continu ou Supergrid, concerne leur protection contre des défauts de type court-circuit sur des liaisons en courant continu. . Dans ce travail de thèse, un nouveau concept de stratégie de protection des réseaux en courant continu à haute tension en cas de défaut court-circuit est proposé. La stratégie repose sur une philosophie de protection ayant comme priorité la suppression du courant de défaut avant l’isolation de la liaison en défaut. Elle est basée sur l’utilisation de disjoncteurs mécaniques à courant continu sans avoir recours à des limiteurs de courant de défaut. Une séquence de protection primaire ainsi que deux séquences de sauvegarde en cas de défaillance de disjoncteurs ont été développées, testées et validées à l’aide de simulations de transitoires électromagnétiques et de simulations temps-réel. En outre, les algorithmes des relais de protection ont été implémentés avec l'aide de l’outil d’analyse fonctionnelle descendante SADT (Structured Analysis and Design System). Cette thèse a été effectuée dans le cadre du SuperGrid Institute, une plate-forme de recherche collaborative visant à développer des technologies pour les futurs réseaux de transport d'électricité et regroupant l'expertise d'industries telles que GE Grid Solutions et les laboratoires de recherche publique comme le laboratoire de génie électrique de Grenoble (G2Elab). / Multi-terminal High Voltage Direct Current (MTDC) grids,have been proven to be an adequate solution for massive integration of renewable energy power to existing High Voltage Alternating Current (HVAC) grids. Indeed, HVDC grids are capable of transmitting efficiently high level of power over very long distances compared to HVAC grids since, from a certain power to be transmitted, there is a limited distance from which the AC power transmission loses its efficiency and becomes very costly compared to DC power transmission. One of the main challenges related to the development of theses multi-terminal HVDC grids, or Supergrids, concerns their protection against DC short-circuit faults. In this thesis, a new concept of protection strategy for MTDC grids in case of permanent short-circuit fault on a DC cable has been proposed. The strategy is based on the non-selective fault clearing philosophy where the priority is given to the suppression of the fault current before isolating the faulty transmission line. The strategy is based on mechanical DC breakers and no fault current limiting devices are used. A primary protection sequence as well as two back-up sequences in case of breakers operation failure have been developed, tested and validated through Electromagnetic Transient (EMT) and Real-Time (RT) simulations. Also, algorithms to be implemented on protective relays have been designed with the help of the Structured Analysis and Design System (SADT). This PhD thesis has been performed in the frame of the SuperGrid Institute, a collaborative research platform aiming to develop technologies for the future electricity transmission network and bringing together the expertise of industries such as GE grid solutions and public research laboratories as the Grenoble Electrical Engineering Laboratory (G2Elab).

L'objectif de ce travail de thèse est de développer une bibliothèque de modules IPs (Intellectual Properties) de simulateurs temps réel embarqués qui simulent différents éléments d'un système électrique. Ces modules ont été conçus pour être utiliser non seulement pour une validation HIL (Hardware-In-the-Loop) des commandes numériques mais aussi pour des applications de commande embarquées, où le module IP de simulateur et le contrôleur sont tous les deux implémentés et exécutés dans la même cible FPGA. Cette nouvelle classe de simulateurs temps réel devrait être de plus en plus incluse dans la prochaine génération de contrôleurs numériques. En effet, ces modules IPs de simulateurs temps réel embarqués peuvent être avantageusement intégrés dans les contrôleurs numériques pour assurer des fonctions comme l'observation, l'estimation, le diagnostic où la surveillance de la santé. Inversement aux cas de HIL, le principal défi lors de la conception de tels simulateurs est de faire face à leur complexité ayant à l'esprit que, dans le cas des systèmes embarqués, les ressources matérielles disponibles sont limitées en raison du coût. En outre, ce problème est renforcé par la nécessité des pas de simulation très petit. Ceci est généralement le cas lors de la simulation des convertisseurs de puissance.Pour développer ces modules IPs, des lignes directrices dédiés de conception ont été proposées pour être suivies pour gérer la complexité de ces simulateurs (solveur de modèle, solveur numérique, pas de simulation, conditionnement de données) tout en tenant compte des contraintes temporelles et matérielles/coût (temps de calcul limité, ressources matérielles limitées ...).Les modules IPs de simulateurs à développer ont été organisés en deux catégories principales: ceux qui sont consacrées aux éléments électromagnétiques d'un système électrique, et ceux dédiés à ses éléments commutés.La première catégorie regroupe les éléments où les phénomènes électriques, magnétiques sont modélisés en plus de phénomènes mécaniques (pour les parties mécaniques) et des phénomènes potentiellement thermiques. Trois cas sont traités: le simulateur temps réel embarqué d'une machine synchrone triphasée, celui d'une machine asynchrone triphasée et celui d'un alternateur synchrone à trois étages. En plus de cela, les avantages de l'utilisation de la transformation delta pour améliorer la stabilité du solveur numérique lorsque un petit pas de calcul et le codage virgule fixe (avec une précision de données limitée) sont utilisés, ont été étudiés.La deuxième catégorie concerne des éléments commutés tels que les convertisseurs de puissance où les événements de commutation sont considérés. Là encore, plusieurs topologies de convertisseurs ont été étudiées: un redresseur simple alternance, un hacheur série, un hacheur réversible en courant, un hacheur quatre quadrant, un onduleur monophasé, un onduleur triphasé, un redresseur à diodes triphasé et un redresseur MLI triphasé. Pour tous ces modules IPs de simulateurs, l'approche de modélisation ADC (Associated Discrete Circuit) est adoptée.Le module IP de simulateur temps réel embarqué du redresseur MLI a été appliqué dans un contexte d'une application embarquée. Cette dernière consiste en une commande tolérante aux défauts d'un convertisseur de tension coté réseau. Ainsi, ce module IP est associé à celui d'un simulateur temps réel d'un filtre RL triphasé et les deux sont embarqués dans le dispositif de commande du redresseur pour estimer les courants de lignes. Ces courants sont injectés dans le dispositif de commande dans le cas d'un défaut de capteur de courant. La capacité de cet estimateur de garantir la continuité de service en cas de défauts est validée par des tests HIL et expérimentalement. / The aim of this thesis work is to develop an IP-Library of FPGA-based embedded real-time simulator IPs (Intellectual Properties) that simulate different elements of an electrical system. These IPs have been designed to be used not only for Hardware-In-the-Loop (HIL) testing of digital controllers but also for low cost embedded control applications, where the simulator IP and the controller are both implemented and run altogether in the same FPGA device. This emerging class of real-time simulators is expected to be more and more included in the next generation of digital controllers. Indeed, such embedded real-time simulator IPs can be advantageously embedded within digital controllers to ensure functions like observation, estimation, diagnostic or health-monitoring. Conversely to the HIL case, the main challenge when designing such simulator IPs is to cope with their complexity having in mind that, in the case of embedded systems, the available hardware resources are limited due to the cost. Furthermore, this challenge is strengthened by the need of very short simulation time-steps which is typically the case when simulating power converters.To develop these IPs, dedicated design guidelines have been proposed to be followed to manage the complexity of these simulator IPs (model solver, numerical solver, time-step, data conditioning) with regards to the timing and the area/cost constraints (computation time limit, limited hardware resources …).The simulators IPs to be developed have been organized into two main categories: those dedicated to electromagnetic elements of an electrical system and those dedicated to their switching elements.The first category gathers elements where electric, magnetic phenomena are modelized in addition to mechanical phenomena (for moving systems) and potentially thermal phenomena. Three cases are dealt with: the embedded real-time simulator of a three-phase synchronous machine, the one of a three-phase induction machine and the one of a brushless synchronous generator. Also, the advantages of using delta transformation to improve the stability of the numerical solver when short simulation time-step and fixed-point (with limited data precision) are used, have been studied.The second category concerns switching elements such as power converters where switching events are considered. Here again, several converter topologies have been studied: a half-wave rectifier, a buck DC-DC converter, a bidirectional buck DC-DC converter, a H-bridge DC-DC converter, a single-phase H-bridge DC-AC converter, a three-phase voltage source inverter, a three-phase diode rectifier and a three-phase PWM rectifier. For all these IPs, the Associated Discrete Circuit (ADC) modeling approach is adopted.The embedded real-time simulator IP of the three-phase PWM rectifier has been applied in the context of an embedded application. The latter consists of a fault-tolerant control of a grid-connected voltage source rectifier. Thus, this simulator IP is associated with the one of a three-phase RL-filter and are both implemented within the rectifier controller to estimate the grid currents. These currents are injected in the controller in the case of a current sensor fault. The ability of this estimator to guarantee the service continuity in the case of faults is validated through HIL tests and experiments.

Pour le développement des convertisseurs d’électronique de puissance, la simulation en temps réel joue un rôle essentiel dans la validation des performances des convertisseurs et de leur contrôle avant leur réalisation. Cela permet de simuler et reproduire avec précision les formes d’ondes des courants et tensions des convertisseurs de puissance modélisés avec un pas de temps de simulation correspondant exactement au temps physique. Les circuits d’électronique de puissance sont caractérisés par le comportement non linéaire des interrupteurs. Par conséquent, les représentations des dispositifs de commutation sont cruciales dans la simulation en temps réel. Le modèle au niveau système est largement utilisé dans les simulateurs temps réel du commerce et les plates-formes expérimentales, qui modélisent les comportements des interrupteurspar deux états stationnaires distincts - passant et bloqué - et négligent tous les phénomènes transitoires. Ces dernières années, la simulation temps réel au niveau du composant est devenue populaire car elle permet de simuler les formes d'onde de commutation transitoires et de fournir des informations utiles concernant les contraintes sur les interrupteurs , les pertes, les effets parasites et les comportements électrothermiques. Néanmoins, la simulation temps réel au niveau du composant est contrainte par le pas de temps transitoire réalisable en raison des quantités de calcul accrues introduites par la non-linéarité du modèle de commutation.Afin d'intégrer le modèle au niveau du composant dans la simulation en temps réel, cette thèse porte sur l'exploration approfondie des techniques de modélisation et de simulation en temps réel au niveau composantdes convertisseurs d’électronique de puissance. Les techniques de simulation en temps réel les plus récentes sont d’abord examinées de manière exhaustive, tant au niveau du système que du composant. En outre, deux approches de modélisation au niveau du composant sont proposées, à savoir le modèle haute résolution quasi-transitoire (HRQT) et le modèle transitoire linéaire par morceaux (PLT). Dans le modèle HRQT, le modèle de réseau est implémenté par une simulation au niveau système tout en générant les formes d'onde de commutation transitoires avec une résolution de 5 ns, ce qui permet de simuler le convertisseur de puissance avec des transitoires rapides jusqu'à des dizaines de nanosecondes. Compte tenu des effets des transitoires sur l’ensemble du réseau, les modèles non linéaires des IGBT et diodes sont linéarisés par morceaux dans le modèle PLT. À l'aide de techniques efficaces de découplage de circuits, le modèle du convertisseur de puissance au niveau composant peut être simulé de manière stable avec un pas de temps de simulation global de 50 ns. Les deux modèles proposés sont testés et validés via différents cas sur une plate-forme temps réel de National Instruments basée sur un FPGA, comprenant un convertisseur boost boosté entrelacé (FIBC) pour le modèle HRQT, un convertisseur DC-DC-AC pour le modèle PLT et un convertisseur modulaire à plusieurs niveaux (MMC) pour les deux. Des résultats précis sont produits par rapport aux outils de simulation hors ligne. L'efficacité et les valeurs d'application sont également vérifiées par les résultats d’essais en temps réel. / In the development cycles of the power electronics converters, the real-time simulation plays an essential role in validating the converters’ and the controllers’ performances before their implementations on real systems. It can simulate and reproduce the current and voltage waveforms of the modeled power electronics converters accurately with a simulation time-step exactly corresponding to the physical time. The power electronics circuits are characterized by nonlinear switching behaviors. Therefore, the representations of switching devices are crucial in real-time simulation. The system-level model is widely used in both commercial real-time simulators and the experimentally built real-time platforms, which models the switching behaviors by two separate steady states – turn-on and turn-off, and neglects all the switching transients. In recent years, the device-level real-time simulation has become popular since it can simulate the transient switching waveforms and provide useful information with regard to the device stresses, the power losses, the parasitic effects, and electro-thermal behaviors. Nevertheless, the device-level real-time simulation is constrained by the achievable transient time-step due to the increased computational amounts introduced by the nonlinearity of the switch model.In order to integrate the device-level model in the real-time simulation, in this thesis, the device-level real-time modeling and simulation techniques of the power electronics converters are deeply explored. The state-of-art real-time simulation techniques are firstly reviewed comprehensively with regard to both system-level and device-level. Moreover, two device-level modeling approaches are proposed, including high- resolution quasi-transient model (HRQT) and the piecewise linear transient (PLT) model. In HRQT model, the network model can be implemented by system-level simulation while generating the transient switching waveforms with a 5 ns resolution, which is good at simulating the power converter with fast switching transients down to tens of nanoseconds. Considering the effects of the transient behaviors on the entire network, the PLT model is proposed by piecewise linearizing the nonlinear IGBT and diode equivalent models. With the help of effective circuit decoupling techniques, the device-level power converter model can be simulated stably with a 50 ns global simulation time-step. The proposed two models are tested and validated via different case studies on National Instruments (NI) FPGA-based real-time platform, including floating interleaved boost converter (FIBC) for HRQT model, DC-DC-AC converter for PLT model, and modular multi-level converter (MMC) for the both. Accurate results are produced compared to offline simulation tools. The effectiveness and the application values are further verified by the results of the real-time experiments.

Les structures optiques diffractives sous forme d’hologramme de sécurité sont largement employées contre la falsification et la contrefaçon.Elles sont présentent sur les billets de banque, les documents de voyage et d’identité, etc. Leurs techniques de fabrication sont de plus en plus accessibles, augmentant les risques de fraudes et la concurrence sur le marché des hologrammes de sécurité. Pour endiguer les fraudes et gagner des parts de marché, il faut innover. Ces travaux de thèse de doctorat s’articulent autour du développement de structures optiques diffractives multiéchelles innovantes. Ces structures diffractives multiéchelles sont la combinaison de structures diffractives microscopiques permettant la mise en forme de la lumière incidente avecdes structures nanoscopiques qui permettent la création d’effets colorés. Ces travaux accordent une grande place au développement de la technique de photolithographie multiniveaux par écriture directe massivement parallèle. Ils abordent également le développement d’un modèle hybride permettant de simuler physiquement le comportement des structures diffractives (notamment de nos structures multiéchelles) en temps réel. Ce rendu en temps réel est possible grâce à l’utilisation du processeur graphique (GPU) au travers d’OpenGL et des programmes Shader, ainsi qu’avec l’utilisation de données précalculées. Le développement de ces structures multiéchelles permet la création et la commercialisation de nombreux nouveaux effets visuels, ce qui participe aux doubles objectifs de contrer les fraudes et de gagner en part de marché. / Diffractive optical structures on the fon of security holograms are widely used against forgery and counterfeiting. They are present on banknotes, travel and identity documents, etc. Their manufacturing techniques are becoming more and more accessible, increasing the risk of fraud and competition in the security hologram market. To stem fraud and gain marketshare, hologram procedures must innovate continously. This Ph.d focuses on the developmentof innovative multi-scale diffractive optical structures. These multi-scale diffractive structures result from combination of microscopic diffractive structures that shape the incident light and nanoscopic structures that generate colored effects. This work places emphasis on the development of the massively parallel-direct-write greyscale photolithography fabrication process. We also discuss the development of an hybrid model for physically simulating the behaviour of diffractive structures (especially our multiscale structures) in real time. This real time rendering is possible thanks to the use of the graphical processor unit (GPU) through OpenGL and Shader programs, as well as the use of precomputed data. The development of these multiscale structures has led to the creation and commercialisation of many new visual effects and contributed to the dual objectives of counter fraud and gain market share.