L'énergie éolienne est une des composantes d'une politique énergétique permettant de réaliser un développement durable. Ces dernières années, des parcs éoliens offshore ont été installés. Ces parcs bénéficient d'un vent plus fort et plus régulier en mer que sur terre. Pour un choix judicieux des lieux d'implantation des parcs éoliens, il est nécessaire de disposer d'une cartographie du potentiel éolien. Ces cartes doivent être à haute résolution spatiale pour détecter les variations du potentiel à l'échelle d'un parc éolien. La cartographie du potentiel éolien se fait au travers de la description de la variation spatiale des paramètres statistiques caractérisant la climatologie du vent. Pour une estimation précise de ces paramètres statistiques, il est nécessaire d'avoir des mesures de vitesse et de direction du vent à haute résolution temporelle. Cependant, aucune source de données, actuelle, n'allie la haute résolution spatiale et la haute résolution temporelle. On propose une méthode de fusion de données permettant de tirer profit de la haute résolution spatiale de certains instruments de télédétection (les radars à ouverture synthétiques) et de la haute résolution temporelle d'autres instruments de télédétection (les radars diffusomètres). La méthode de fusion est appliquée à un cas d'étude et les résultats sont évalués. Les résultats montrent la pertinence de la fusion de données pour la cartographie du potentiel éolien offshore.

Avec l’évolution technologique, le progrès de l’électronique de puissance et surtout l’enjeu économique, l’utilisation des machines asynchrones à cages ou à rotor bobiné occupe de plus en plus de place dans tous les domaines comme les entrainements électriques et la production d’énergie, leur robustesse, leur fiabilité et leur coût moins élevé sont particulièrement appréciés. Ces deux types d’actionneur en fonctionnement générateur sont la base des éoliennes actuelles.Néanmoins, malgré les travaux de recherches effectués ainsi que les améliorations apportées, ces machines demeurent des sièges potentiels de défaillances aussi bien au niveau stator que rotor. Les défauts les plus courants qui peuvent se produire dans la génératrice asynchrone à rotor bobiné du système éolien, au niveau rotor et stator sont : a) le court circuit sur les enroulements rotoriques et statoriques, b) les défaillances de roulements, c) les irrégularités statiques ou dynamiques de l’entrefer, d) les problèmes au niveau des balais et collecteurs. Ces types de défauts doivent êtres détectés, localisés à temps car ils peuvent endommager gravement le système. Durant ces dernières années, le diagnostic des défauts affectant les systèmes éoliens a été largement étudié. Un grand nombre de méthodes est disponible visant à améliorer la conception du système, à augmenter la qualité et la production d’énergie électrique et d’en diminuer les coûts. Malgré les résultats de la recherche, ces systèmes multi-Complexes restent encore les sièges de réflexions de plusieurs laboratoires tant qu’industriels qu’académiques.Ce rapport de thèse présente une nouvelle méthodologie de diagnostic de défauts combinant la méthode à base de modèle utilisant les équations mathématiques explicites du processus et la méthode sans modèle. Les machines électriques sont modélisées analytiquement par la méthode des circuits électriques magnétiquement couplés. L’objectif est de générer des données en fonctionnement sain et en fonctionnement défaillant de ses variables d’état. Tandis que la méthode sans modèle utilisée est l’analyse en composantes principales (ACP). Les deux méthodes sont implémentées sous Matlab/ Simulink. Les données de la machine acquises sont traitées et analysées par des méthodes statistiques pour générer des résidus. La détection et la localisation de défauts sur la machine sont obtenues par l’analyse des résidus de ses variables d’état. Les résidus sont des indicateurs de défaillance ou non du système étudié. L’analyse des grandeurs caractéristiques de la machine étudiée dans ce rapport de thèse par le biais de plusieurs résultats de simulation montre l’efficacité de la méthode ACP, aussi bien sur le plan de la détection que de la localisation, par rapport aux autres méthodes de diagnostic des machines électriques. / With the technological evolution, due to the progress of power electronics and the economic issue, the use of induction machines with squirrel cage rotor or wound rotor induction machine occupies more and more places in all areas such as electric drive system and power production due to their robustness, their reliability and their lower cost which are highly appreciated. These two types of actuator in generator operation are the basis of the current wind turbine.Nevertheless, in spite of those different researches as well as those improvements, these machines remain still the potential faults both in stator and rotor levels.The most current default which may occur in the wound rotor asynchronous generator of the wind system at the rotor and stator levels are: a) Inter-Turn short circuit on the rotor and stator windings; b) The bearings failures; c) Static or dynamic irregularities of the air-Gap; d) Brushes and collectors ring problems;These types of faults must be detected and localized in time because they may damage the whole system. During these last years, the faults diagnosis affecting the wind systems was widely studied.A large number of methods are available to improve the system design, to increase the quality and quantity of the electrical energy produced and to decrease this energy production costs. In spite of the literatures research results, these multi-Complex systems still remain the reflections seats of several industrial and academic laboratories. This thesis report presents a new faults diagnosis methodology combining the method using the explicit mathematical equations model of the process and the method without a prior model of the system which is the data statistical analysis. The electrical machines are analytically modeled by the method of magnetically coupled electric circuits.The objective is to generate data in healthy and faults functioning of its variable state. Whereas the method without model used is of the principal components analysis (PCA).Both methods are implemented under Matlab /Simulink. The data of the acquired machines are handled and analyzed through the statistical method in order to generate the residues.The detection and the localization of the machine faults are obtained by the residues analysis of its variable state. Residues are faults indicators or healthy on the studied system.The analysis of the characteristic size of the machine studied in this thesis report through several simulation results shows the efficiency of the method PCA, as well as in detection and localization, when compared with other diagnosis methods of electrical machines.

La simulation numérique des éoliennes flottantes est essentielle pour le développement des Energies Marines Renouvelables. Les outils de simulation classiquement utilisés supposent un écoulement stationnaire sur les rotors. Ces théories sont généralement assez précises pour calculer les forces aérodynamiques et dimensionner les éoliennes fixes (à terre ou en mer) mais les mouvements de la plateforme d’une éolienne flottante peuvent induire des effets instationnaires conséquents. Ceux-ci peuvent par exemple impacter la force de poussée sur le rotor. Cette thèse de doctorat cherche à comprendre et à quantifier les effets de l’aérodynamique instationnaire sur la tenue à la mer des éoliennes flottantes, dans différentes conditions de fonctionnement. L’étude montre que les forces aérodynamiques instationnaires impactent les mouvements de la plateforme lorsque le rotor est fortement chargé. Les modèles quasi-stationnaires arrivent néanmoins à capturer la dynamique des éoliennes flottantes avec une précision suffisante pour des phases de design amont. Les éoliennes flottantes à axe vertical sont elles aussi étudiées pour des projets offshore puisqu’elles pourraient nécessiter des coûts d’infrastructure réduits. Après avoir étudié l’influence de l’aérodynamique instationnaire sur la tenue à la mer de ces éoliennes, une comparaison est menée entre éoliennes flottantes à axe horizontal et à axe vertical. Cette dernière subit une importante poussée aérodynamique par vents forts, induisant de très grands déplacements et chargements. / Accurate numerical simulation of thesea keeping of Floating Wind turbines (FWTs) is essential for the development of Marine Renewable Energy. State-of-the-art simulation tools assume a steady flow on the rotor. The accuracy of such models has been proven for bottom-fixed turbines, but has not been demonstrated yet for FWTs with substantial platform motions. This PhD thesis focuses on the impact of unsteady aerodynamics on the seakeeping of FWTs. This study is done by comparing quasi-steady to fully unsteady models with a coupled hydro-aerodynamic simulation tool. It shows that unsteady load shave a substantial effect on the platform motion when the rotor is highly loaded. The choice of a numerical model for example induces differences in tower base bending moments. The study also shows that state of the art quasi-steady aerodynamic models can show rather good accuracy when studying the global motion of the FWTs. Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs) could lower infrastructure costs and are hence studied today for offshore wind projects. Unsteady aerodynamics for floating VAWT sand its effects on the sea keeping modelling have been studied during the PhD thesis,leading to similar conclusions than for traditional floating Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs). Those turbines have been compared to HAWTs. The study concludes that, without blade pitch control strategy, VAWTs suffer from very high wind thrust at over-rated wind speeds, leading to excessive displacements and loads. More developments are hence needed to improve the performance of such floating systems.

Afin d’optimiser le coût des éoliennes, on choisit souvent d’insérer entre la turbine et la génératrice un multiplicateur de vitesse mécanique à engrenages. Son intérêt est de réduire le coût de la génératrice électrique via la réduction de son couple mécanique. Malheureusement, les multiplicateurs mécaniques sont sujet à des défaillances qui augmentent le coût de fonctionnement de l’éolienne. Ainsi les coûts de maintenance peuvent devenir si importants que certains industriels cherchent à se passer de ce composant, tout particulièrement dans les applications offshore.Parmi les solutions alternatives aux chaînes de conversion à multiplicateur mécanique, une voie innovante consiste à remplacer le multiplicateur à engrenages par une technologie magnétique. Pour évaluer de façon pertinente une telle solution, il est indispensable d'adopter une approche transversale mécatronique considérant à la fois les aspects magnétiques et mécaniques. Une telle approche est originale et pour la mener à bien, il a été nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’évaluer les performances. Ainsi, les travaux de cette thèse ont porté sur l'élaboration de modèles électromagnétiques, mécaniques et thermiques de deux architectures de multiplicateurs magnétiques. Pour mener à bien une optimisation globale, ces modèles doivent être très performants en termes de compromis temps de calcul / précision. Nous avons enfin réalisé une optimisation globale des parties magnétiques et mécaniques d'un multiplicateur magnétique pour éolienne multi-mégawatt et montré qu'une approche mécatronique permettait d'obtenir de meilleurs résultats qu'une méthode traditionnelle consistant à découpler les dimensionnements magnétiques et mécaniques. / Non communiqué.

Le présent travail est une étude sur la modélisation des éoliennes flottantes alliant à la fois des chargements hydrodynamiques et aérodynamiques. L’approche expérimentale a tiré profit de la grande soufflerie de Luminy opérée par le MIO (Institut Océanologique de Méditerranée), unissant une soufflerie de très bonne qualité avec un bassin équipé de systèmes de génération de houle et de courant. Les dimensions de cette installation imposent un travail à échelle très réduite introduisant ainsi les interrogations sur les similitudes à respecter (Reynolds, Froude) et les complexités de maquettage. Ces travaux ont permis de développer des outils numériques avec d’un côté une approche fréquentielle basé sur un code utilisant les éléments finis développé par l’IFP au début des années 70, et de l’autre, une approche temporelle basé sur les formulations de Morison ou de Rainey permettant l’introduction de méthodes avancées de calculs des efforts aérodynamiques. / The present work focuses on the modeling of the hydrodynamic and aerodynamic loads on a floating wind turbine. The experimental approach took advantage of the wind and wave flume in Luminy operated by the MIO (Mediterranean Institute for Oceanography) comprising a wind tunnel with a very high flow quality blowing over a wave tank. The dimensions of the installation impose working at very small scales for which the similitudes (Reynolds, Froude) introduce high modeling complexities. This work allowed the development of numerical tools using one the one hand a frequency domain approach based on a finite element code developped by IFP¨in the early seventies, and in the other hand a time-domain approach based on Morison or Rainey formulation for hydrodynamic loads allowing the introduction of advanced methods for aerodynamic loads computation.

La demande énergétique mondiale en constante augmentation, l'instabilité et l'incertitude du prix des énergies fossiles, la libéralisation du marché électrique et une conscience environnementale renforcée durant ces dernières années ont renouvelé l'intérêt du développement des énergies renouvelables. Parmi elles, l'énergie éolienne détient une situation privilégiée grâce à son progrès technologique et à ses coûts associés comparativement faibles. Dans ce contexte, l'apport envisagé avec ce travail de thèse est de collaborer à la conception optimale d'un système de production éolien isolé de petite taille, pour les sites où l'extension du réseau est difficile ou trop coûteuse. Un outil d'optimisation pour un système de génération éolien chargeur de batterie est proposé et validé. Le système de puissance est composé d'une quantité minimale d'éléments. De cette façon, la simplicité du système permet de réduire les efforts de maintenance et d'augmenter sa fiabilité à un coût minimal. Lorsqu'une production plus élevée est désirée, avec les mêmes moyens de production (turbine et générateur), une structure qui inclut un convertisseur électronique de puissance commandé par MLI est utile. Un tel système est étudié et vérifié par simulation numérique. Ce système ainsi modifié permet un transfert de puissance optimal, ce qui augmente la production d'énergie et peut ainsi réduire son coût. Une méthode d'estimation des pertes dans les convertisseurs statiques est aussi proposée et validée. Elle est utilisée pour calculer de façon plus précise l'énergie non fournie d'un système de génération hybride renouvelable installé en site isolé.

Les travaux présentés portent sur la conception et la commande d'un ensemble convertisseur-génératrice basse vitesse pour les applications éoliennes. Une génératrice 10kW, 50 tr/min (contrainte typique d'une éolienne autonome) est étudiée. La machine à réluctance variable (MRV) à plots dentés et à grand nombre de dents est retenue car elle est bien adaptée à un fonctionnement à basse vitesse de rotation permettant la simplification ou la suppression du multiplicateur de vitesse utilisé avec les génératrices classiques.<br />La structure électromagnétique est d'abord optimisée par un algorithme génétique couplé à la méthode des éléments finis. <br />La commande de la génératrice est ensuite traitée. La machine est modélisée par la méthode des éléments finis puis le réseau de courbes du flux en fonction de la position et du courant est approximé par Krigeage en vue de la commande. La machine est commandée par un demi pont en H et l'optimisation des paramètres de commande est effectuée.<br />Enfin, un banc d'essais comprenant une MRV 6/4 (3kW) fonctionnant en générateur et couplée à un moteur à courant continu a été mis en œuvre. La commande des deux machines est implantée sur une carte DSPACE 1103. Ce banc d'essais permet de vérifier d'une part la validité de la modélisation par éléments finis, et d'autre part les lois de commandes élaborées.

Alliant flexibilité de contrôle et bon rendement, les Machines Synchrone à Double Excitation (MSDE) sont de plus en plus investiguées pour diverses applications de petites et moyennes puissances et rarement pour des applications de fortes puissances. Cette thèse a pour objectif l'étude d'un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE) de forte puissance. Un modèle de comportement a été établi. Des méthodes analytiques et semi-analytiques ont été utilisées pour la modélisation multi-physique de la machine. Ce modèle a été validé, dans un premier temps, par comparaison aux résultats d'un modèle éléments finis.Comparé à un Générateur Synchrone à Pôles Saillants (GSPS), le GSDE offre des solutions plus intéressantes énergétiquement et économiquement, que ce soit en fonctionnement à vitesse constante ou à vitesse variable. Dans le cadre d'un fonctionnement en générateur éolien, l'augmentation du nombre d'encoche par pôle et par phase et l'augmentation de la fréquence d'alimentation contribuent à l'amélioration des performances de la GSDE. Cependant il faudrait tenir compte des impacts sur l'électronique de puissance et le multiplicateur mécanique. En plus, la distribution de Weibull et le bon choix de la plage utile de variation de la vitesse du vent, jouent un rôle important sur le dimensionnement optimal du générateur éolien.Un prototype de GSDE d'une puissance d'1MVA a été dimensionné, optimisé et fabriqué. Tout d'abord, le prototype a servi à la validation du modèle multi-physique. En plus la réalisation des essais sur deux étapes (avant et après le collage des aimants permanents) a montré l'apport énergétique du GSDE par rapport au GSPS

Alliant flexibilité de contrôle et bon rendement, les Machines Synchrone à Double Excitation (MSDE) sont de plus en plus investiguées pour diverses applications de petites et moyennes puissances et rarement pour des applications de fortes puissances. Cette thèse a pour objectif l’étude d’un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE) de forte puissance. Un modèle de comportement a été établi. Des méthodes analytiques et semi-analytiques ont été utilisées pour la modélisation multi-physique de la machine. Ce modèle a été validé, dans un premier temps, par comparaison aux résultats d’un modèle éléments finis.Comparé à un Générateur Synchrone à Pôles Saillants (GSPS), le GSDE offre des solutions plus intéressantes énergétiquement et économiquement, que ce soit en fonctionnement à vitesse constante ou à vitesse variable. Dans le cadre d’un fonctionnement en générateur éolien, l’augmentation du nombre d’encoche par pôle et par phase et l’augmentation de la fréquence d’alimentation contribuent à l’amélioration des performances de la GSDE. Cependant il faudrait tenir compte des impacts sur l’électronique de puissance et le multiplicateur mécanique. En plus, la distribution de Weibull et le bon choix de la plage utile de variation de la vitesse du vent, jouent un rôle important sur le dimensionnement optimal du générateur éolien.Un prototype de GSDE d’une puissance d’1MVA a été dimensionné, optimisé et fabriqué. Tout d’abord, le prototype a servi à la validation du modèle multi-physique. En plus la réalisation des essais sur deux étapes (avant et après le collage des aimants permanents) a montré l’apport énergétique du GSDE par rapport au GSPS / The use of Hybrid Excitation Synchronous Machine (HESM) can widely be extended to any size of power applications in regards to its high efficiency and simplicity of flux control. The aim of this thesis consists to analyze different design constraints and develop optimization processes of a Hybrid Excitation Synchronous Generator (HESG).Analytical and lumped models were used with reasonable level of accuracy and minimum computation time. The model has been validated by comparing the result to those achieved by FEM.The study shows the technical and economical advantages of the use of HESG compare to the conventional Salient Pole Synchronous Generator (SPSG). The comparison between the two generator topologies was considered for constant and variable speed applications such as wind energy. The influence of several parameters such as frequency and the number of slot per pole and per phase was investigated. For the case of wind energy application the study shows the importance of Weibull distribution and the speed range when looking for the optimized generator.In order to validate the multi-physics model, a 1MVA HESG was considered and a prototype produced. To highlight the advantages and performances of HESG generator a test program was carried out into steps. A first set of tests have been made before bounding the permanent magnets and the second set of tests have been made after bounding the permanent magnets

Les barchanes sont des dunes en forme de croissant qui se forment sous des vents unidirectionnels (en moyenne). Ces structures ont fait l'objet ces dernières années de nombreuses études, directement sur le terrain et également numériquement au laboratoire. Néanmoins, ces objets ont une extension spatiale minimale de l'ordre de 10 m, et de ce fait aucune expérience en laboratoire n'avait réussi à reproduire des barchanes à petite échelle. Nous présentons, ici, une méthode simple et fonctionnelle, permettant d'outrepasser cette limitation. Cette méthode consiste à étudier directement les barchanes sous l'eau plutôt que dans l'air. Celles-ci se comportent en effet qualitativement et quantitativement comme leurs soeurs éoliennes, mais à l'échelle 1/1000ème. Alliée à une modélisation numérique qui permet de comprendre l'origine de la forme en croissant comme le résultat de la déflexion latérale des grains roulant sur son dos, cette expérience montre alors tout son potentiel en se penchant sur des problématiques jusqu'alors impossible à étudier. Nous étudions ainsi expérimentalement et numériquement la nucléation des barchanes, les interactions entre barchanes voisines dans ce que l'on appelle les corridors de dunes et même les collisions de deux barchanes et les retournements de vent. Finalement, nous discutons de la stabilité de ces objets, à court terme et à long terme, ce qui nous permet de montrer la grande sensibilité des morphologies et des dynamiques des barchanes par rapport aux propriétés du flux de sable. En marge de cette étude, nous présentons une étude expérimentale d'un phénomène acoustique envoûtant : le chant des dunes.