Suite à la mise en place de politiques publiques favorisant les énergies renouvelables, la construction de fermes éoliennes offshore est en plein essor aux quatre coins du monde. Or, la technique de l'éolienne offshore posée, la seule utilisée actuellement, n'est pas viable économiquement dans des eaux trop profondes. Ceci représente un sérieux frein au développement de l'énergie éolienne. Pour cette raison, la communauté scientifique s'intéresse depuis plusieurs années aux éoliennes sur plates-formes flottantes. En eau profonde, cette technologie est intéressante. Mais le fait que l'éolienne ne soit pas encastrée au fond de la mer augmente très significativement les sollicitations mécaniques induites par les vagues.Pour réduire ces sollicitations qui ont de nombreux effets néfastes, différentes approches sont possibles. Essayer de compenser les oscillations « avant-arrière » du mât de l'éolienne en pilotant la force de poussée exercée au niveau du rotor a déjà été écarté dans la littérature. Nous nous sommes concentrés sur l'ajout d'un dispositif de stabilisation interne à la plate-forme, de type Tuned Liquid Column Damper (un tube en U contenant un liquide, TLCD, encore appelé tube anti-roulis), utilisé dans d'autres contextes. Le dispositif que nous proposons est un dispositif actif où les paramètres du TLCD sont ajustés en temps réel, au cours du mouvement induit par les vagues. La mise à jour des paramètres suit une stratégie reposant sur une analyse des interactions entre le TLCD et la plate-forme (appelée ici barge) sur laquelle est installée l'éolienne. Nous avons modélisé le mouvement de la barge seul et son couplage avec le TLCD dans le plan grâce à une approche Lagrangienne. Nous avons étudié les effets des interactions du TLCD avec la barge dans le cas où le coefficient de perte de charge dans le tube était constant. Les limites de cette approche ont été détaillées grâce aux résultats classiques de la littérature sur les oscillateurs mécaniques couplés. Nous nous sommes ensuite concentrés sur une approche active consistant à modifier les caractéristiques du système en temps réel. Nous avons proposé des stratégies de type Linear Quadratic Regulator et de type Model Predictive Control agissant sur le coefficient de perte de charge. Dans un deuxième temps, les simulations nous ont ensuite permis d'écarter la commande MPC dont le rapport performance / complexité n'est pas favorable par rapport à la commande LQR dans ce cas précis.Une étude plus générale du système, en trois dimensions, nous a permis de vérifier que le TLCD classique dans sa version passive ou dans la version active que nous proposions n'est pas du tout robuste à l'incidence de la houle. Nous avons donc imaginé et modélisé des dispositifs inspirés du TLCD mais permettant d'amortir les oscillations de la houle de manière efficace, indépendamment de l'incidence de la houle. Nous avons nommé ces dispositifs TLMCD, pour Tuned Liquid Multiple Columns Damper.Les dispositif que nous proposons sont des systèmes TLMCD actifs. Ils sont conçus d'après les modélisations 3D que nous avons développées et une étude des coûts. Pour ces dispositifs, nous avons aussi détaillé les spécificités de la synthèse des stratégies LQR pour amortir les oscillations de la barge indépendamment de l'incidence de la houle.La performance de ces solutions d'amortissement a finalement été évaluée par simulation pour un large éventail de conditions de houle, couvrant les spécifications d'un “ cahier des charges ” que nous présentons. On observe une réduction des oscillations en roulis de la barge qui peut atteindre un facteur 4 par rapport à l'éolienne flottante sans TLCD. Ces résultats nous montrent que le dispositif TLMCD que nous proposons est un dispositif intéressant pour amortir de manière significative, robuste et économiquement abordable notre système. / Thanks to the recent policies of subsidizing renewables energies, constructions of offshore wind farms are booming all over the world. Yet, fixed-bottom wind turbine technology, the only one currently deployed, are too costly for deep waters. This hinders the development of wind power. This is why the scientific community has an interest in floating wind turbines (FWT). The cost of these wind turbines does not depend much on water depth. But since the wind turbine is not fixed into the seabed, the mechanical stress caused by the waves significatively raises.To reduce these detrimental loads, different approaches can be used. The litterature already discarded the control of the wind thrust applied on the rotor to compensate the "fore-aft" oscillations of the tower. We focused on stabilizing floating wind turbine by means of an attached damping system placed inside the float, it is a Tuned Liquid Column Damper (a U-tube containing a liquid, TLCD, also known as anti-roll tank), used in other areas. The damper we propose is an active system where TLCD parameters are continuously modified. Parameters are updated according to a strategy defined thanks to an analysis of the interactions between TLCD and the float (referred to as barge) supporting the wind turbine. We modelled the coupled dynamics of the barge and the TLCD in the vertical plan using a Lagrangian approach. We studied the motions of the damped system for a constant head-loss coefficient in the TLCD. The limits of this approach were detailed thanks to the classic results in double oscillators literature. Then, we focused on an active approach involving a time varying of the head-loss coefficient. We proposed Linear Quadratic Regulator and Model Predictive Control strategies to determine the head-loss coefficient. At a later stage, simulations enabled us to discard the MPC strategy as its complexity/performance ratio is rather bad compared to the LQR strategy in this particular case.A more general study of the system, in three dimensions, showed us that the TLCD is not robust against wave incidence. Therefore, we imagined and modeled new dampers inspired by the TLCD, which can damp the float effectively, regardless of the wave incidence. We named those dampers Tuned Liquid Multiple Column Damper (TLMCD).The dampers we propose are active TLMCD. Their designs are based on their dynamic properties and a cost study. We also detailed the specificities of LQR design to ensure the best possible robustness against wave incidence.The performance of the proposed TLMCD dampers was assessed through numerical simulations for a wide range of sea conditions. We observe that barge roll can be reduced by a factor of four compared to the undamped FWT. These results show us that the TLMCD we propose is interesting to damp significantly, robustly and economically our FWT.

La première thématique développée dans ce mémoire vise à développer de nouveaux algorithmes pour la commande des éoliennes reposant sur une machine asynchrone à double alimentation et des convertisseurs multi niveaux. Deux stratégies de contrôle direct du courant, basées sur l'Hystérésis à Zones Carrées et l'Hystérésis à Zones Circulaires (HZCi) ont été proposées. Celles-ci consistent à appliquer des vecteurs de tension appropriés pour contrôler les puissances actives et réactive générées et permettent également d'équilibrer les tensions du bus continu interne des convertisseurs. Des résultats de simulation et d'expérimentation montrent que la stratégie basée sur l'HZCi est meilleure en termes de forme d'onde et de contenu harmonique des tensions de sortie.La seconde concerne la supervision et la gestion des puissances active et réactive dans une ferme éolienne au vu de son intégration dans un réseau électrique. Cette supervision centralisée est assurée par un algorithme qui distribue les consignes de puissance aux éoliennes de la ferme de manière proportionnelle. Ces références sont fonction de la capacité maximale de production de l'éolienne. Pour cela, une analyse des transits de puissance dans le système éolien à base de la machine asynchrone à double alimentation a été effectuée. Elle a permis de déterminer la caractéristique (P, Q) du générateur et de calculer ses limites de compensation en termes de puissance réactive. Une gestion locale des puissances de chaque éolienne a été développée permettant ainsi une répartition des puissances entre le stator de la machine et le convertisseur coté réseau en considérant plusieurs modes de fonctionnement du système éolien.

Le développement durable et les énergies renouvelables suscitent aujourd'hui l'intérêt de plusieurs équipes de recherches. Le développement des éoliennes représente un grand investissement dans le domaine de la recherche technologique. Ces machines qui produisent de l'énergie électrique à partir du vent peuvent constituer une alternative technologique et économique aux différentes sources d'énergies épuisables. D'ailleurs, la croissance de l'industrie éolienne mondiale est de l'ordre de 30% par an depuis le début des années 2000. De nombreux travaux de recherche sur le contrôle et la commande d'éoliennes ont été menés. Grâce à ces travaux, les dernières générations d'éoliennes fonctionnent avec une vitesse variable et disposent d'une régulation pitch. Il est ainsi possible de modifier la vitesse de rotation et l'angle de calage de chacune des pales, permettant alors d'améliorer la production de l'aérogénérateur. Néanmoins, il reste encore à introduire plus d'intelligence dans le fonctionnement des aérogénérateurs. L'objectif principal de nos travaux de thèse est d'étudier les techniques de commande robuste, de la génératrice, susceptibles d'optimiser la production d'une éolienne, en particulier celle utilisant une génératrice asynchrone double alimentation. Par optimisation, nous entendons non seulement améliorer la qualité de l'énergie produite et le rendement énergétique mais aussi diminuer les charges mécaniques de fatigue ; ce qui aurait pour conséquence de rendre possible la fabrication d'aéroturbines plus légères améliorant de ce fait la productivité. La ou les techniques de commande doivent donc tenir compte du comportement de l'éolienne dans son ensemble. Pour ce faire, nous avons exploré l'apport des modes glissants classiques puis d'ordre supérieur pour répondre au cahier des charges fixé. Les techniques de commandes proposées ont été testées sur le simulateur FAST élaboré par le laboratoire Américain NREL (National Renewable Energy Laboratory). Des essais expérimentaux effectués au laboratoire Grenoblois G2Elab sur un banc de 7.5 kW ont permis la validation des techniques proposées. Elles restent cependant perfectibles ouvrant ainsi la voie à d'intéressantes perspectives.

L'énergie éolienne est en train de se développer en conséquence des problèmes environnementaux posés par les sources d'énergie traditionnelles et du progrès technologique des aérogénérateurs. La part de ce type d'énergie dans le réseau est de plus en plus importante dans les régions ventées. Par suite, l'impact sur le réseau électrique, de la qualité de la puissance produite par les aérogénérateurs augmente. D'autre part, le coût de l'énergie éolienne est encore trop élevé pour concurrencer les sources traditionnelles sur des sites moins ventés. Plus " d'intelligence " peut être introduite dans la commande des éoliennes pour résoudre ces problèmes. Cette commande doit être faite en tenant compte du comportement de l'aérogénérateur dans son ensemble. Les perturbations provenant du vent doivent également être considérées. L'objectif de cette thèse se résume ainsi: concevoir les lois de commande d'un aérogénérateur à vitesse variable et régulation pitch, en tenant compte des perturbations éoliennes et avec quatre critères d'optimisation. Ces critères sont: l'amélioration de la qualité de l'énergie électrique produite, du rendement énergétique et de la robustesse des commandes et la diminution des efforts subis par le train de puissance de l'éolienne. Des modèles de simulation permettant d'étudier les lois de commande d'aérogénérateurs existent, mais l'impact des perturbations éoliennes sur le système dans son ensemble n'est en général pas considéré avec suffisamment de précision. Ici, un modèle de simulation d'un aérogénérateur à vitesse variable et régulation pitch est présenté. Une attention particulière est portée à l'interaction entre le vent et la turbine. Ce modèle de simulation a été validé à l'aide de données réelles d'une éolienne de 180 kW et de données provenant de la littérature. Un aérogénérateur à vitesse variable et régulation pitch a différentes zones de fonctionnement. Trois zones sont étudiées ici: celle correspondante à des vitesses de vent moyens où la vitesse de rotation de l'éolienne est variable, celle liée à des vitesses plus importantes où l'éolienne tourne à la vitesse nominale et celle liée aux vitesses de vent où la puissance captée par la turbine est limitée à l'aide du pitch. En plus de la stratégie de commande générale de l'éolienne, différentes conceptions de commandes dans chacune de ces zones sont examinées. Des modèles linéaires permettant d'étudier le comportement dynamique du système éolien sont obtenus sur différents points de fonctionnement à partir du modèle de simulation non-linéaire. Certains de ces modèles sont utilisés en tant que modèle de commande. Des régulateurs numériques robustes sont synthétisés dans chacune des zones de fonctionnement. Ces lois de commande sont ensuite testées sur le modèle de simulation. Différentes commandes sont comparées en observant leur comportement face aux quatre critères liés à l'objectif de thèse. Un modèle de simulation est pratique pour tester les lois de commande, mais il convient d'essayer ces lois aussi sur un banc d'essai avant de les implémenter sur une éolienne réelle. Ici, l'aérogénérateur simulé est émulé sur un banc d'essai de 15 kW. Ensuite, quelques essais expérimentaux sont réalisés sur ce banc. Les résultats obtenus en simulations et sur le banc d'essai montrent que des lois de commande avancées permettent d'améliorer le comportement d'un aérogénérateur à vitesse variable et régulation pitch.

Ce travail vise à modéliser la propagation du vent par des techniques de simulation de CFD dans des tissus urbains contrastés à l’échelle du quartier (450m × 450m) afin d'évaluer les impacts de la morphologie urbaine sur le potentiel énergétique éolien. Face aux problèmes environnementaux locaux et globaux, le développement des énergies renouvelables devient de plus en plus urgent à l’échelle mondiale. Notre objectif est d’adapter la morphologie urbaine au développement du captage de l’énergie éolienne. Pour ce faire, deux questions fondamentales sont posées : quels sont les impacts de la morphologie urbaine sur l'écoulement du vent dans la ville ? Comment évaluer le potentiel énergétique éolien de la ville ? Nous partons d’une synthèse bibliographie sur les trois domaines : l'énergie éolienne urbaine, la morphologie urbaine et la simulation aéraulique. Les avantages et les inconvénients des éoliennes urbaines sont discutés. Des indicateurs de morphologie urbaine sont ainsi proposés. Les méthodes de simulation CFD (Mécanique des fluides numérique) sur l'écoulement du vent autour de bâtiments sont présentées. Des nouvelles technologies et des méthodes d'intégration architecturale de petites éoliennes sont ainsi présentées. Pour valider notre modèle, nous faisons une étude approfondie des paramètres du code ANSYS FLUENT avec la référence des données d’un benchmark issu d'expérimentations en soufflerie. Plusieurs méthodes de vérification avant et après les simulations sont proposées. Après validation de notre modèle, des simulations de formes simples sont faites. Avec un bâtiment, deux bâtiments et trois bâtiments, les impacts de différents paramètres simples de configuration sont analysés. En raison de leur efficacité et de leur faisabilité, l'évaluation énergétique est principalement faite au-dessus des toits de bâtiments. Les effets de la concentration du vent au-dessus des toits sont ainsi évalués. Nous simulons ensuite des modèles morphologiques plus complexes, par l’évaluation du potentiel éolien dans six quartiers de formes urbaines typiques dans le monde et favorables pour exploiter l'énergie éolienne. Treize indicateurs morphologiques ayant potentiellement une influence sur l'écoulement du vent sont proposés. Des analyses de cohérence entre les indicateurs morphologiques et les indicateurs d'évaluation de l'énergie éolienne au-dessus des toits sont faites. Ensuite, des variantes de formes urbaines typiques sont étudiées. L’influence de certaines modifications de ces prototypes sur le potentiel éolien est étudiée et les prototypes les plus favorables pour l'exploitation de l'énergie éolienne sont proposés. L'énergie éolienne dans un quartier existant à Pekin est ensuite évaluée. Des conditions locales (formes physiques, climat, aspects socio-économiques) sont considérées pour évaluer la faisabilité du développement de l’énergie éolienne. L'emplacement et le choix des techniques d’éoliennes urbaines adaptées sont discutés. Enfin, une méthode mathématique basée sur des paramètres morphologiques simples est présentée pour évaluer le potentiel éolien au-dessus des toits. L'indicateur de l'impact d'obstacle des bâtiments est défini. La cohérence entre les résultats de la méthode mathématique et ceux de la simulation CFD est enfin analysée. / This work concentrates on wind flow simulation by CFD techniques in different urban fabrics at the neighborhood scale (450m × 450m), in order to assess the impacts of urban morphology on wind energy potential. Facing local and global environmental problems, the development of renewable energy is becoming increasingly urgent and important. Our goal is to adapt the urban morphology in the development of urban wind energy. To do so, two fundamental questions are aroused: What are the impacts of urban morphology on the wind flow in the city? How to evaluate the urban wind power? We start with a summary of bibliography on three areas: urban wind energy, urban morphology and CFD (Computational fluid dynamics) simulation. The advantages and disadvantages of different urban wind turbines are discussed. Some new technologies and methods of architectural integration of small wind turbine are presented. Indicators of urban morphology are proposed. The methods of CFD simulation of wind flow around buildings are presented. To validate our model of air flow simulation, we start with a study of the numerical simulation parameters with the reference of a benchmark of wind tunnel experiments. Several methods of verification before and after the CFD simulation are presented. After validation of our model, we begin to simulate some simple forms. With one, two and three buildings, the impacts of different simple configurations parameters are analyzed. Considering the effectiveness and feasibility, wind energy assessment is mainly taken over the roofs of buildings. The combined effects of altitude and wind concentration above the roof, are evaluated. We then simulate more complex morphological models, by assessing the wind potential in six neighborhoods that are urban forms both worldwide typical and favorable for wind energy development. Morphological indicators that potentially affect the wind flow are proposed. Analysis of coherence are made between these indicators and the values of the coefficient of increase of wind speed and of the wind power indicator above the roof. Then, some prototypes of basic urban forms from real neighborhoods are studied. The influence of some modifications of these prototypes on the wind energy potential is analyzed, and the most favorable conditions for the exploitation of wind power prototypes are recommended. Then, wind energy in a real neighborhood in Beijing is evaluated. Local conditions (physical forms, climate, social-economic aspects) are considered to assess the feasibility of developing wind energy. The location and the choice of techniques suitable urban wind turbines are discussed. Finally, a mathematical method based on some simple morphological parameters is presented, in order to assess wind potential above the rooftops. The obstacle impact indicator of the buildings is defined. The coherence between the results of the simplified mathematical method and those of CFD simulation are analyzed.

Dans le cadre de la maintenance conditionnelle, l'analyse vibratoire temporelle repose sur 50 ans d'expérience et jouit, de fait, d'une représentativité importante dans le secteur éolien. Cette analyse, appliquée sous des conditions de fonctionnement non stationnaires, fait néanmoins preuve d'un manque de précision dans la détection de défauts mécaniques. Afin de synchroniser l'échantillonnage avec les défauts des éléments tournants de la ligne d'arbre, il est alors nécessaire de s'appuyer sur une discrétisation angulaire du vecteur d'information. L'objet de cette étude est le développement d'un outil de surveillance disposant de cette qualité et s'appuyant sur les variations que présente la vitesse instantanée de la machine tournante pour évaluer l'état des éléments tournants. La vitesse angulaire instantanée, associée à l'analyse spectrale, est assujettie à des perturbations dont les origines sont identifiées et les influences quantifiées. Ainsi, il est envisageable de dimensionner un système de mesure en fonction des caractéristiques de la chaîne cinématique sous surveillance. Ce document propose également plusieurs outils de traitement originaux qui permettent, sous des conditions de fonctionnement non stationnaires, d'améliorer suffisamment l'observation pour que l'utilisation d'un seul capteur soit envisageable pour assurer la surveillance de la ligne d'arbre dans sa totalité. Ces outils mettent en exergue la dualité temporelle angulaire de la surveillance de machines tournantes et tirent parti des conditions de fonctionnement non stationnaires par la connaissance de la vitesse instantanée. Les procédés d'acquisition combinés aux outils de traitement sont mis à l'épreuve sur plusieurs banc d'essais. Sensible au degrés de désalignement, au type de défaut d'engrènement et à la gravité d'un écaillage, la vitesse angulaire instantanée est dorénavant une alternative confirmée à la surveillance vibratoire, même angulaire. Une vaste campagne de mesures a été lancée en parallèle et en continu sur une éolienne dans l'objectif ambitieux de mettre en place un procédé de pronostic. Les diverses conditions de fonctionnement sont prises en compte par une approche statistique permettant d'utiliser avantageusement leurs influences sur les mesures qui en sont issues. Ces travaux constituent une première étape dans la réalisation d'un modèle de surveillance multi-niveau adapté aux machines à fonctionnement variable dont les éoliennes sont un parfait exemple de complexité. / The overall background for the thesis is the need to develop new methods for monitoring machines subject to nonstationary operating conditions of speed and load, as typified by wind turbines. This has become particularly important because of the increasing prevalence of wind turbines for the sustainable supply of electrical power. Because of the cost of installing and maintaining wind turbines, often situated in remote areas and increasingly used off-shore, it has become imperative to use the most up-to-date monitoring methods to avoid unforeseen failure. For the same reason there has been a tendency to increase the size of individual units, but this gives problems for the transmissions used to convert the low speed input at a fraction of a Hz to the speed of conventional generators in the range 16-30 Hz or so. The power delivered by a turbine is proportional to the square of its diameter, but the input torque is proportional to the cube, and a large part of the cost of the gearbox is related to the torque. Anecdotally, this appears to have resulted in a situation where many transmissions are failing in a shorter time than their design life, and this means not only that their design must be improved, but also that they must be monitored more closely than many other machines, to detect and diagnose incipient faults at the earliest possible stage. The thesis seeks to help to redress the situation by proposing a number of innovative methods to improve the detection and diagnosis of faults in machines with variable speed and load, and especially wind turbine transmissions, not only to make the monitoring more efficient, but also more economical.

Grandes bague de roulement utilisés dans éolienne sont l'un des éléments de transmission de charge importantes de ces machines tournantes. Ces roulements fonctionnent grâce à des cycles de charge et de la fréquence et de l'expérience des défis complexes tribologiques sévères. Le coût de remplacement de ces paliers est très élevé et conduit aussi à quantité importante de temps d'arrêt. Il est donc important de comprendre certains des principaux problèmes de conception et tribologiques de ces roulements. Quatre points type de roulement de l'anneau de contact de rotation a été considéré comme une base de référence pour cette étude pour démontrer les questions de contact de troncature et d'échec de la cage pour les roulements de hauteur. Un palier de contact à deux points de remplacement est proposé d'éliminer le contact troncature et de réduire la force de la cage accumulation. Les méthodes de conception et d'analyse démontré dans cette étude peuvent être facilement étendus à lacet paliers ainsi que d'autres grands roulements utilisés dans l'industrie. / Large slewing ring bearings used in wind turbine are one of the important load transmitting elements of these rotating machines. These bearings operate through complex load and frequency cycles and experience severe tribological challenges. The cost of replacement of these bearings is very high and also leads to significant amount of down-time. It is therefore important to understand some of the major design and tribological issues in these bearings. Four-point contact slewing ring bearing type has been considered as a baseline for this study to demonstrate contact truncation and cage failure issues for pitch bearings. An alternate two-point contact bearing is proposed to eliminate contact truncation and reduce the cage force build-up. The design and analysis methods demonstrated in this study can be easily extended to yaw bearings as well as other large bearings used in the industry.

L'étude développée dans cette thèse concerne le contrôle des performances et des lâchers tourbillonnaires au cours du cycle de rotation d'une hydrolienne à axe vertical de type Darrieus. L'élaboration d'une famille de lois de commande d'incidence de pales exploitant le principe de conservation de la circulation autour de profils en mouvement permet ici le contrôle du fonctionnement de l'hydrolienne ainsi que la maîtrise de son sillage tourbillonnaire afin de préserver l'environnement.L'écoulement 2D est simulé à l'aide du solveur incompressible de Star CCM+ afin de mettre en évidence l'effet de ce type de contrôle sur le rendement de la turbine pour différents points de fonctionnement. Ce modèle CFD a été utilisé pour améliorer l'analyse analytique en ce qui concerne l'extraction de l'énergie, la compréhension de l'écoulement autour de l'hydrolienne et le contrôle des tourbillons générés. La nouveauté de cette étude est l'élaboration de lois de commande de pales d'hydrolienne, basées sur des valeurs constantes et transitoires de la circulation, afin d'augmenter la puissance de la turbine tout en garantissant un contrôle efficace de la vorticité et ainsi prévenir de l'interaction entre les tourbillons et les pales. Une bonne comparaison est réalisée entre les résultats analytiques et numériques concernant les forces hydrodynamiques.En outre, une campagne d'essais a été menée afin d'acquérir des mesures quantitatives sur une hydrolienne de type Darrieus à pales fixes en terme de puissance, mais aussi des résultats qualitatifs pertinents comme la visualisation de l'écoulement autour des pales à différentes positions et pour différents points de fonctionnement. La mise en place complète d'un système PTV pour les mesures qualitatives et les étapes de traitement sont discutées et les divers paramètres obtenus à partir des études CFD sont validées en utilisant ces résultats PIV.L'étude expérimentale dans la présente recherche appo11e des informations détaillées sur les gradients de pression et de vitesse, les contours de vorticité et le critère Q qui ont servi à valider les visualisations obtenues numériquement. / With key applications in marine renewable energy. the vertical axis water turbine can use current or tidal energy in an eco-friendly manner. However, it is difficult to reconcile optimal performance of hydrokinetic turbines and compliance wilh the aquatic environment as the main drawback of the turbines is the formation of non-linear flow structures caused by the unsteady movement of the blades. Eddies in the flow are advected and can interact with other blades, which leads to a reduction in power output. To limit this phenomenon, the turbines operate at high speeds, which are likely to reduce the shaft power. High speeds of rotational so forbid the passage of aquatic animais, and are the cause of a suction effect on the sediments.The objective of this thesis work is twofold. First, it aims to develop a blade pitch control to get the flow adjusted around the blade profile at any given flow configuration by incorporatin.g the profile's motion with respect to incident flow. Such a system intends to achieve the objective of operating at reduced speeds without vortical releases, which should allow achieving a high torque without causing damage to the environment.This thesis work is mainly carried out in three phases. ln the first phase, the irrotational flow over an arbitrary profile is formulated using conforma] mapping. Prospective potential flow application on the basis of Couchet theory (1976) is involved in the development of a control law that decides the blade pitching in a constant circulation framework. In the second phase, a numerical validation of the developed analytical work is presented using CFD to examine how the theoretical fomulation can be effectively applied to Darricus turbines. In the final phase, two prototypes are developed, one is classical Darrieus turbine with fixed blades, and other is the turbine with pitching blades for experimental measurements of performance as well as flow fields(by PIV) in order to validate the computational results.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés de stabilité des tourbillons hélicoïdaux, structures que l'on retrouve notamment dans le sillage des rotors d'hélicoptères et d'éoliennes.Dans une première partie, le développement spatio-temporel de l'instabilité d'appariement est caractérisé à l'aide d'un code numérique pseudo-spectral pour une allée infinie d'anneaux tourbillonnaires. On montre que ce modèle axisymétrique d'écoulement est en effet une bonne approximation du système hélicoïdal dans la limite des grands rayons et petits pas d’hélice. Dans ces conditions, et en utilisant un adimensionnement judicieux, on obtient également que le résultat théorique pour le taux de croissance spatio-temporel obtenu pour une double allée de tourbillons ponctuels s’avère être une bonne prédiction pour le cas hélicoïdal.Dans une seconde partie, on décrit comment un ou plusieurs tourbillons hélicoïdaux ont pu être générés de façon très peu perturbée à l’aide de modèles réduits de rotors dans le canal hydrodynamique du laboratoire. Grâce à l’introduction de perturbations d’amplitudes et de fréquences soigneusement contrôlées, le taux de croissance de l’instabilité d’appariement a pu être mesuré et comparé aux résultats théoriques. L’évolution non linéaire de ces perturbations ainsi que d’autres modes instables, à plus petites longueurs d’onde, ont également pu être observés expérimentalement pour la première fois.Enfin, ces résultats ont été appliqués au cas des rotors d’hélicoptères pour la prédiction du régime de Vortex Ring State (VRS) et à la transition vers la turbulence du sillage des éoliennes. / This thesis is devoted to the stability properties of helical vortices, which are of interest for applications such as helicopter and wind turbine wakes.In a first part, the spatio-temporal development of the pairing instability is characterised for an infinite array of vortex rings, using a pseudo-spectral numerical code. We show that this axisymmetric flow model is indeed a good approximation of the helical system in the limit of large helix radius and small pitch. Under these assumptions, and by using appropriate dimensionless variables, we also show that the theoretical result concerning the spatio-temporal growth rate for a double row of point vortices represents a good prediction for the helical case.In a second part, we describe how one or several helical vortices were generated in a carefully controlled way using small-scale rotor models in the water channel of the laboratory. Introducing perturbations with well-defined amplitudes and frequencies, the growth rate of the pairing instability could be measured experimentally and compared to theoretical predictions. The non-linear evolution of these perturbations, as well as other unstable modes of smaller wavelengths, were also observed experimentally for the first time.Finally, these results were applied to helicopter wakes for the prediction of the Vortex Ring State (VRS) regime and to the transition to turbulence in wind turbine wakes.

La capacité des systèmes conventionnels de production d'énergie éolienne et marémotrice à fournir au réseau une énergie fiable et stable à tout moment est un nouveau défi en raison des fluctuations météorologiques, qui ont un impact significatif et direct sur la production d'énergie. C'est pourquoi l'hybridation des systèmes de production d'énergie éolienne et hydrolienne ont été étudiées pour améliorer l'intégration des énergies éolienne et marémotrice sur le réseau électrique.Cette étude nous a amené à développer des contributions liées à deux axes principaux :Le premier axe est focalisé sur un nouveau concept d'hybridation de deux sources énergétiques différentes en termes de propriétés physiques, l’éolien et l’hydrolienne à axe horizontal, basé sur un couplage électromécanique de ces deux systèmes. Les deux ressources sont l’énergie éolienne et l’énergie des courants marins. Le concept est développé en utilisant les similitudes fonctionnelles des turbines et les similarités en conversion d’énergie de leurs chaînes énergétiques. Pour appliquer ce concept en premier lieu, les paramètres de la génératrice asynchrone à double alimentation installée dans l’émulateur du GREAH sont identifiés. Ensuite, la chaîne de conversion de puissance est modélisée mathématiquement et simulée dans un environnement MATLAB / SIMULINK. Nous avons développé deux stratégies de commande.Une stratégie à vitesse fixe appelé "Contrôle direct de la vitesse", et une stratégie à vitesse variable basée sur la recherche de puissance maximale, dénommée "Contrôle indirecte de vitesse". Enfin, ce concept a été implémenté pratiquement sur l’émulateur en temps réel du laboratoire. Les résultats obtenus ont été analysés et discutés suite à ces travaux.Le deuxième axe est consacré à un concept que l’on appelle «temps accélérée» de simulation ou « temps virtuel ». Par la suite, ce concept a été mis en œuvre sur l’émulateur multi physique disponible au laboratoire GREAH. Ce concept (temps accélérée) est basé sur la réduction des échantillons de profil de vent afin de diminuer le temps de simulation et faciliter la commande en temps réel.Les résultats principaux sont obtenus d’abord dans MATLAB / SIMULINK, puis ont été vérifiés sur l’émulateur en temps réel. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le concept d’hybridation éolienne offshore / éolienne basée sur la flexibilité d’un émulateur multifonctions permettant diverses architectures d’émulation : éoliennes, éoliennes, et systèmes hybrides éoliennes - éoliennes. Nous analysons son impact sur la puissance de sortie du système. Les résultats obtenus sont corrélés aux profils de vitesse du vent et des marées, dans lesquels les propriétés statistiques ayant un impact sur les chaînes énergétiques mondiales pourraient être complémentaires et en particulier en fonction des sites donnés.Contributions principales et perspectives- Développement du concept de couplage électromécanique. Lorsque deux sources d’énergie renouvelables sont « intégrées », on stabilise la fluctuation rapide de la puissance générée, mais sous certaines conditions telles que la présence d’unités de stockage ou d’un système d’embrayage automatique.- Le concept temps accéléréeCette méthode est utilisée pour réduire la taille des données enregistrées du vent ou des courant marins, afin d’accélérer le temps de simulation des unités de production d'énergie avec des résultats raisonnables qui se rapprochent pertinemment des situations réelles.- Etudier et développer le concept de régime d’arbre électrique :Si le couplage électromécanique est difficile à réaliser du point de vue mécanique et que les découplages à arbre unique sont trop fréquents et que les contraintes mécaniques sont élevées, on peut étudier le régime de l'arbre électrique avec deux machines à induction DFIG. Le système peut fonctionner en mode synchrone avec des structures et configurations spécifiques. / The ability of conventional wind and tidal generation systems to provide the grid with reliable and stable power at all times is a new challenge due to weather fluctuations, which have a significant and direct impact on energy production. This is why the hybridization of wind and tidal power generation systems has been studied to improve the integration of wind and tidal power into the electricity grid.This study led us to develop contributions related to two main axes:The first axis is focused on a new concept of hybridization of two different energy sources in terms of physical properties, wind and horizontal axis turbines, based on an electromechanical coupling of these two systems. The two resources are wind energy and marine energy. The concept is developed using the functional similarities of turbines and similarities in energy conversion of their energy chains. To apply this concept first, the parameters of the double fed asynchronous generator installed in the GREAH emulator are identified. Then, the power conversion chain is modeled mathematically and simulated in a MATLAB / SIMULINK environment. We have developed two control strategies.A fixed speed strategy called "Direct Speed Control", and a variable speed strategy based on the search for maximum power, called "Indirect Speed Control". Finally, this concept has been implemented practically on the real-time emulator of the laboratory. The results obtained were analyzed and discussed following this work.The second axis is devoted to a concept called "accelerated time" simulation or "virtual time". Subsequently, this concept was implemented on the multi-physics emulator available at the GREAH laboratory. This concept (accelerated time) is based on reducing wind profile samples in order to decrease simulation time and facilitate real-time control.The main results are obtained first in MATLAB / SIMULINK, then verified on the emulator in real time.The main objective of this thesis is to study the concept of offshore wind / tidal turbine hybridization based on the flexibility of a multi-function emulator that allows various emulation architectures: wind turbines, tidal turbines, and hybrid wind - tidal turbines systems. We analyze its impact on the output power of the system; the obtained results are correlated with wind and tidal speed profiles, in which statistical properties impacting global power chains could be complementary and in particular in function of the given sites. Main contributions and perspectives- Development of the concept of electromechanical coupling.When two renewable energy sources are "integrated", the rapid fluctuation of the power generated is stabilized, but under certain conditions such as the presence of storage units or an automatic clutch system.- The accelerated time conceptThis method is used to reduce the size of the recorded wind or sea current data, to speed up the simulation time of the power generation units with reasonable results that are close to actual situations.- Study and develop the concept of electric shaft regime: If the electromechanical coupling is difficult to achieve from the mechanical point of view and the single shaft decouples are too frequent so high mechanical stress, one can study the electric shaft regime with two DFIG induction machines.There is a regime in which the ratios between the speeds of the different machines are rigorously constant. The system can operate in synchronous mode with specific structures and configurations.