Cette thèse s’inscrit dans le cadre du 12ème appel à projet du Fonds Unique Interministériel (FUI) lancé par l’Etat au premier semestre 2011. Le projet « EM BILBOQUET » a été colabellisé par les pôles de compétitivité Mer Bretagne, Mer PACA et Tenerrdis. Il consiste en la réalisation d’un nouveau système de génération d’électricité issue du mouvement relatif entre deux corps flottants, mus par la houle. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au contrôle optimal à appliquer sur la génératrice via les convertisseurs statiques, afin d’extraire le maximum d’énergie de la houle incidente. Dans un premier temps, nous avons établi les équations dynamiques régissant le comportement de la structure dans la houle en adoptant les hypothèses de la théorie potentielle. Pour ce faire, nous avons développé un code de calcul spécifique, basé sur une résolution du problème linéaire de tenue à la mer, par des méthodes dites semi-analytiques. Ce code de calcul permet de déterminer les coefficients hydrodynamiques nécessaires à l’écriture de l’équation dynamique dans le domaine fréquentiel, mais aussi dans le domaine temporel via une modification de la formulation de Cummins. Cette dernière nous permet ainsi, dans un second temps, de formuler le problème de maximisation de l’énergie récupérée comme un problème d’optimisation où la variable à optimiser est le couple résistant de la génératrice. Le problème est résolu en temps réel en adoptant une résolution par algorithme dit à horizon fuyant. / In this thesis, we perform a study on a self-reacting point absorber, project FUI 12 “EM BILBOQUET”, in order to optimise energy extraction from incoming waves. Main researches use seabed for providing reference to a floating body, called buoy. However, as it is well-known that ocean energy is greater far away from the shore, sea-depth becomes a constraint. In this thesis a damping plate attached to a spar keel is proposed to allow the floating body to react against it. Energy resulting from the relative motion between the two concentric bodies i.e. the buoy and the spar is harnessed by a rack-and-pinion, which drive a permanent magnet synchronous generator through a gearbox. In the first part of the thesis we have developed a wave-to-wire model i.e. a model of the whole electro-mechanical chain from sea to grid. To this purpose we have developed our own hydrodynamic code, based on linear potential theory and on a semianalytical approach, solving the seakeeping problem. The hydrodynamic coefficients obtained such as added mass, radiation damping, and wave excitation forces are required for solving the dynamic equation based on Cummins formulation. The second part of the thesis focuses on the self-reacting point-absorber optimal control strategy and the Model Predictive Control (MPC) formulation is proposed. Objective function attempting to optimise the power generation is directly formulated as an absorbed power maximisation problem and thus no optimal references, such as buoy and/or spar velocity, are required. However, rather than using the full-order WEC model in the optimisation problem, that can be time-consuming due to its high order, and also because of the linear assumptions, we propose the use of a “phenomenologically" one-body equivalent model derived from the Thévenin’s theorem.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude du dimensionnement d'une chaine de conversion électrique en entrainement direct d'un système direct de récupération de l'énergie des vagues (searev). Cette chaine de conversion est composée d'une génératrice synchrone à aimants permanents solidaire d'un volant pendulaire, d'un convertisseur électronique composé de deux ponts triphasés à modulation de largeur d'impulsion, l'un contrôlant la génératrice, l'autre permettant d'injecter l'énergie électrique au réseau. En complément, un système de stockage de l'énergie (batterie de supercondensateurs) est destiné au lissage de la puissance produite. Le dimensionnement de tous ces éléments constitutifs nécessite une approche d'optimisation sur cycle, dans un contexte de fort couplage multi-physique notamment entre les parties hydrodynamique et électromécanique. Dans un premier temps, l'ensemble génératrice-convertisseur, dont le rôle est d'amortir le mouvement d'un volant pendulaire interne, est optimisé en vue de minimiser le coût de production de l'énergie (coût du kWh sur la durée d'usage). Cette optimisation sur cycle est réalisée en couplage fort avec le système houlogénérateur grâce à la prise en compte conjointe de variables d'optimisation relatives à l'ensemble convertisseur-machine mais aussi à la loi d'amortissement du volant pendulaire. L'intégration d'une stratégie de défluxage, intéressante pour assurer un fonctionnement en écrêtage de la puissance, permet, dès l'étape de dimensionnement, de traiter l'interaction convertisseur-machine. Dans un second temps, la capacité énergétique du système de stockage de l'énergie fait l'objet d'une optimisation en vue de la minimisation de son coût économique sur cycle de vie. Pour ce faire, nous définissons des critères de qualité de l'énergie injectée au réseau, dont un lié au flicker, et nous comparons des stratégies de gestion de l'état de charge tout en tenant compte du vieillissement en cyclage des supercondensateurs dû à la tension et à leur température. Dans un troisième temps, à partir de données d'états de mer sur une année entière, nous proposons des dimensionnements de chaines de conversion électrique qui présentent les meilleurs compromis en termes d'énergie totale récupérée et de coût d'investissement.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude du dimensionnement d'une chaine de conversion électrique en entrainement direct d'un système direct de récupération de l'énergie des vagues (searev). Cette chaine de conversion est composée d'une génératrice synchrone à aimants permanents solidaire d'un volant pendulaire, d'un convertisseur électronique composé de deux ponts triphasés à modulation de largeur d'impulsion, l'un contrôlant la génératrice, l'autre permettant d'injecter l'énergie électrique au réseau. En complément, un système de stockage de l'énergie (batterie de supercondensateurs) est destiné au lissage de la puissance produite. Le dimensionnement de tous ces éléments constitutifs nécessite une approche d'optimisation sur cycle, dans un contexte de fort couplage multi-physique notamment entre les parties hydrodynamique et électromécanique. Dans un premier temps, l'ensemble génératrice-convertisseur, dont le rôle est d'amortir le mouvement d'un volant pendulaire interne, est optimisé en vue de minimiser le coût de production de l'énergie (coût du kWh sur la durée d'usage). Cette optimisation sur cycle est réalisée en couplage fort avec le système houlogénérateur grâce à la prise en compte conjointe de variables d'optimisation relatives à l'ensemble convertisseur-machine mais aussi à la loi d'amortissement du volant pendulaire. L'intégration d'une stratégie de défluxage, intéressante pour assurer un fonctionnement en écrêtage de la puissance, permet, dès l'étape de dimensionnement, de traiter l'interaction convertisseur-machine. Dans un second temps, la capacité énergétique du système de stockage de l'énergie fait l'objet d'une optimisation en vue de la minimisation de son coût économique sur cycle de vie. Pour ce faire, nous définissons des critères de qualité de l'énergie injectée au réseau, dont un lié au flicker, et nous comparons des stratégies de gestion de l'état de charge tout en tenant compte du vieillissement en cyclage des supercondensateurs dû à la tension et à leur température. Dans un troisième temps, à partir de données d'états de mer sur une année entière, nous proposons des dimensionnements de chaines de conversion électrique qui présentent les meilleurs compromis en termes d'énergie totale récupérée et de coût d'investissement. / The work presented in this thesis sets forth the study of the sizing of a direct-drive electrical conversion chain for a direct wave energy converter (SEAREV). This electrical chain is made up of a permanent magnet synchronous generator attached to a pendular wheel and a power-electronic converter made up of two three-phase pulse width modulation bridge, one controlling the generator, the other allowing injecting electrical energy into the grid. In addition, an energy storage system (bank of supercapacitors) is intended to smooth the power output. The sizing of all these components needs an operating cycle optimization approach, in a system context with strong multi-physics coupling, more particularly between hydrodynamical and electromechanical parts. At first, the generator-converter set, whose role is to damp the pendular movement of an internal wheel, is optimized with a view to minimize the cost of energy (kWh production cost). This optimization, based on torque-speed operating profiles, is carried out considering a strong coupling with the wave energy converter thanks to the consideration as design variables, some relatives to the generator-converter sizing but also some relatives to the damping law of the pendular wheel. In addition, the consideration of a flux-weakening strategy, interesting to ensure a constant power operation (levelling), allows, as soon as the sizing step, to deal with the generator-converter interaction. In a second step, the rated energy capacity of the energy storage system is being optimized with a view of the minimization of its economical life-cycle cost. To do this, we define quality criteria of the power output, including one related to the flicker, and we compare three energy managment rules while taking into account the power cycling aging of the supercapacitors due to the voltage and their temperature. In a third step, from yearly sea-states data, we provide sizings of the direct-drive electrical conversion chain that are the best trades-offs in terms of total electrical produced energy and economical investment cost.

Les Energies Marines Renouvelables (EMR) se développent aujourd’hui très vite tant au niveau de la recherche amont que de la R&D, et même des premiers démonstrateurs à la mer. Parmi ces EMR, l'énergie des vagues présente un potentiel particulièrement intéressant. Avec une ressource annuelle brute moyenne estimée à 40 kW/m au large de la côte atlantique, le littoral français est plutôt bien exposé. Mais l’exploitation à grande échelle de cette énergie renouvelable ne sera réalisable et pertinente qu'à condition d'une bonne intégration au réseau électrique (qualité) ainsi que d'une gestion et d'un dimensionnement optimisé au sens du coût sur cycle de vie. Une première solution de génération tout électrique pour un houlogénérateur a d’abord été évaluée dans le cadre de la thèse de Marie RUELLAN menée sur le site de Bretagne du laboratoire SATIE (ENS de Cachan). Ces travaux ont mis en évidence le potentiel de viabilité économique de cette chaîne de conversion et ont permis de poser la question du dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine et de soulever les problèmes associés à la qualité de l’énergie produite. Puis une seconde thèse a été menée par Judicaël AUBRY dans la même équipe de recherche. Elle a consisté, entre autres, en l’étude d’une première solution de traitement des fluctuations de la puissance basée sur un système de stockage par supercondensateurs. Une méthodologie de dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine et de gestion de l’énergie stockée fut également élaborée, mais en découplant le dimensionnement et la gestion de la production d’énergie et de ceux de son système de stockage. Le doctorant devra donc : 1. S’approprier les travaux antérieurs réalisés dans le domaine de la récupération de l’énergie des vagues ainsi que les modèles hydrodynamiques et mécaniques réalisés par notre partenaire : le LHEEA de l’Ecole Centrale de Nantes - 2. Résoudre le problème du couplage entre dimensionnement/gestion de la chaîne de conversion et dimensionnement/gestion du système de stockage. 3. Participer à la réalisation d’un banc test à échelle réduite de la chaine électrique et valider expérimentalement les modèles énergétiques du stockage et des convertisseurs statiques associés - 4. Proposer une méthodologie de dimensionnement de la chaine électrique intégrant le stockage et les lois de contrôle préalablement élaborées 5. Déterminer les gains en termes de capacités de stockage obtenus grâce à la mutualisation de la production (parc de machines) et évaluer l’intérêt d’un stockage centralisé - 6. Analyser l’impact sur le réseau d’une production houlogénérée selon divers scenarii, modèles et outils développés par tous les partenaires dans le cadre du projet QUALIPHE. L’exemple traité sera celui de l’Ile d’Yeu (en collaboration avec le SyDEV. / The work of this PhD thesis deals with the minimization of the per-kWh cost of direct-drive wave energy converter, crucial to the economic feasibility of this technology. Despite the simplicity of such a chain (that should provide a better reliability compared to indirect chain), the conversion principle uses an oscillating system (a heaving buoy for example) that induces significant power fluctuations on the production. Without precautions, such fluctuations can lead to: a low global efficiency, an accelerated aging of the fragile electrical components and a failure to respect power quality constraints. To solve these issues, we firstly study the optimization of the direct drive wave energy converter control in order to increase the global energy efficiency (from wave to grid), considering conversion losses and the limit s from the sizing of an electrical chain (maximum force and power). The results point out the effect of the prediction horizon or the mechanical energy into the objective function. Production profiles allow the study of the flicker constraint (due to grid voltage fluctuations) linked notably to the grid characteristics at the connection point. Other models have also been developed to quantify the aging of the most fragile and highly stressed components, namely the energy storage system used for power smoothing (with super capacitors or electrochemical batteries Li-ion) and power semiconductors.Finally, these aging models are used to optimize key design parameters using life-cycle analysis. Moreover, the sizing of the storage system is co-optimized with the smoothing management.