Dans le cadre de la libéralisation du marché de l'énergie électrique, les réseaux DC offrent de nombreux avantages par rapport aux réseaux alternatifs, mais leurs protections nécessitent l'utilisation de nouveaux appareils. Les limiteurs supraconducteurs de courant permettent, par le dépassement d'un courant critique, de limiter le courant de défaut à une valeur prédéfinie, inférieure à la valeur théorique du court-circuit. Les conducteurs déposés offrent d'excellentes perspectives pour ces applications. Nous avons ainsi travaillé sur la mise en oeuvre de ces matériaux et réalisé un banc de mesures. Des essais en limitation de courant ont été réalisés afin d'étudier l'homogénéité des transitions pour différents paramètres de court-circuit. Un point important est la mesure de température par des sondes déposées directement sur le ruban, donnant des résultats conformes aux modèles théoriques. Nos essais ont confirmé l'amélioration des transitions pour les fonctionnements proches de la température critique. Nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes de la limitation de courant par des conducteurs déposés.

Les objectifs concernant la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité sont de 20 % en 2020 en UE. L'éolien offshore principalement ainsi que les ressources hydroliennes et les panneaux photovoltaïques, vont contribuer à cet objectif. Les améliorations récentes dans le domaine de l'électronique de puissance amènent à repenser les architectures électrotechniques des fermes éoliennes de plus en plus éloignées du continent et présentant des puissances de plus en plus importantes. Plusieurs topologies électrotechniques de fermes éoliennes offshore sont comparées afin de définir la plus intéressante d'un point de vue faisabilité, efficacité et fiabilité. La solution de connexion retenue est entièrement en DC car elle présente des pertes diminuées et des convertisseurs DC-DC avec transformateurs haute-fréquence apportant un gain d'encombrement comparé à une topologie classique en AC. La topologie DC est alors modélisée avec une attention particulière portée aux convertisseurs DC-DC Full-Bridge, cœur technologique de la ferme. Un contrôle du convertisseur par entrelacement des commandes du convertisseur est explicité afin de réduire la taille du filtre en sortie. Deux expérimentations à échelle réelle (2 MW) et réduite (4 kW) permettent de valider le modèle, les pertes et les contrôles implantés sur le convertisseur. Les protections qui peuvent être mises en place pour un réseau de distribution DC sont aussi étudiées avec une proposition de disjoncteur statique DC. Une connexion entre un simulateur temps réel et le banc d'essai 4 kW est réalisée afin de comparer le comportement des convertisseurs de la ferme sur des échelles de temps importantes. Différents contrôles sont testés, et plus particulièrement ceux permettant de valider la capacité de la ferme à rester connectée au réseau pendant les défauts AC. L'ensemble des théories développées sur le cas d'étude éolien offshore sont étendues à des fermes solaires de fortes puissances afin de mettre en évidence les analogies entre ces deux énergies renouvelables.

Les travaux de cette thèse portent sur l’investigation d’approches de commande permettant d’aborder la stabilisation des réseaux électriques continus.En effet les interactions entre les différents éléments du réseau : sources, filtres et charges peuvent conduire à son instabilité. Ces interactions peuvent simplement être mises en évidence au moyen d’un cas d’étude de réseau contenant des charges à puissance constante (CPLs). Pour pallier les problèmes induits par les interconnexion de ces éléments, différentes approches de commande ont été évaluées afin d’assurer la stabilité et maintenir les performances du réseau dans tout son domaine de fonctionnement. La première approche concerne la synthèse par la méthode « backstepping », qui nécessite de reformuler le modèle du réseau sous une structure cascade. Toutefois, selon le moyen d’action disponible, cette approche peut se révéler difficile à mettre en œuvre lorsque plusieurs charges à puissance sont présentes. La deuxième approche fondée sur les méthodes de passivité synthétisant une commande par « injection d’amortissement ». Cette commande permet d’ajouter un amortisseur virtuel aux filtres d’entrée des charges afin de compenser l’effet d’impédance négative introduit par la CPL. Enfin, pour proposer une solution intégrée permettant de mieux répondre à la problématique de la stabilisation du réseau, une approche fondée sur une représentation sous forme multimodèle du système a été étudiée. Cette méthode permet aussi d’envisager la synthèse d’un observateur lorsque l’ensemble du vecteur d’état n’est pas mesuré. Afin de valider et de comparer les performances des différentes méthodes de commande, un réseau électrique DC type caractérisé par deux charges de nature différente et d’un organe de stockage réversible, a été défini où le seul actionneur considéré est l’organe de stockage utilisé ici dans un contexte de stabilisation. / This work investigates control approachs for the stabilization of DC electrical networks. Interactions between different elements of a network i.e, sources, filters and loads may lead to instability. These interactions may be identified by styding a network containing constant power loads (CPLs). To address the problems caused by the interconnection of these elements, different control methods could be evaluated to ensure the stability and maintain network performances throughout its operating range. The first approach uses « backstepping »method, which requiers cascade structure models. However, according to available control input, this approach may be difficult to implement when multiple power loads are present. The second approach is based on passivity theory using « damping injection » control. This control law adds a virtual damper to the input filter loads in order to compensate the negative impedance effect introduced by the CPL. Finally, in order to provide an integrated solution for the problem of network stabilization, an approach based on multiple model representation of the system was investigated. This method also allows to consider the design of an observer when the entire state vector is not measured. To validate and compare the performance of different control methods, a DC electrical network characterized by two loads of different natures and a reversible storage device was defined. The storage device is the only control input considered for the stabilization.

Ce mémoire est consacré à l'étude du phénomène d'instabilité pouvant apparaître sur les bus continus des réseaux DC. En effet, l'interaction entre les différents sous-systèmes électriques (source, charge, filtre) composant le réseau DC peut conduire, sous certaines conditions, à l'instabilité du système. A partir de la modélisation des charges sous forme de "Charge à Puissance Constante" (notée CPL), des méthodes d'études permettant l'analyse de la stabilité "petit-signal" et "grand-signal" des systèmes électriques sont présentées. Celles-ci permettent de mettre en évidence le fait qu'un réseau DC ne peut pas fournir n'importe quelle puissance à ses charges sans devenir instable. Ces puissances limites dépendent à la fois de la structure du réseau et des valeurs de ses éléments passifs et de sa tension de bus. Afin de pouvoir augmenter l'amortissement/les marges de stabilité du système, des méthodes de stabilisation sont présentées dans ce mémoire. Elles proposent d'adapter les commandes des charges de manière à assurer sa stabilité. Ceci se fait grâce à l'addition d'un signal stabilisant sur la référence de chaque charge. Ce signal n'est visible que durant les régimes transitoires de la charge afin de ne pas modifier le point de fonctionnement demandé. Néanmoins, plus on voudra stabiliser une charge et plus son signal stabilisant sera important. Un bon compromis doit donc être trouvé afin d'assurer la stabilité du système sans altérer les performances dynamiques des charges. Deux approches différentes sont proposées afin de générer ces commandes stabilisantes. La première se base sur la mise en place d'un stabilisateur centralisé. Deux méthodes centralisées sont alors proposées : la première s'appuie sur la théorie des multimodèles de Takagi-Sugeno alors que la seconde s'appuie sur la théorie de Lyapunov. Cette dernière permettra d'orienter les efforts de stabilisation sur les charges souhaitées pour par exemple, les diriger principalement vers les organes de récupération d'énergie. La seconde approche se base sur la mise en place d'un système de stabilisation multi-agent. Celui-ci présente une structure décentralisée où chaque agent correspond à un bloc de stabilisation. Ceux-ci vont compenser localement les impacts déstabilisants de leur charge respective et leurs actions combinées permettront d'assurer la stabilité du système. De plus, on propose d'utiliser un algorithme d'optimisation sous contraintes qui permettra de donner un dimensionnement du système minimisant les efforts de stabilisation tout en considérant des cas de défaut tels que la perte de l'un des agents ou la reconfiguration du réseau / This thesis is devoted to the analysis of the instability phenomenon that may appear on the DC bus of DC microgrids. Indeed, interaction between the different electrical subsystems of the grid (source, load, filters) can lead, under certain conditions, to the system instability. From the "Constant Power Load" (CPL) hypothesis for the loads, this thesis presents studying methods for "small-signal" and "large-signal" stability analysis of electrical systems. This highlights that a DC microgrid cannot power the loads more than a maximum limit without becoming unstable. This power limitation depends on the structure of the grid, the value of its passive components, and its bus voltage. In order to improve the microgrid stability, stabilization methods are presented in this thesis. They propose to adapt the loads control to ensure the system stability. This is achieved by the addition of a stabilizing signal to the reference of each load. This signal is only visible during the load power transient mode to not change the requested operating point. However, a good trade-off must be found to ensure system stability without affecting the dynamic performance of its loads. Two approaches are investigated to generate the stabilizing commands. The first one is based on the establishment of a centralized stabilization block. Two centralized methods have been developed: the first one is based on the Takagi-Sugeno theory while the second is based on the Lyapunov theory. This latest permits to guide the stabilizing effort on the desired loads. For example, stabilizing effort can be oriented on the energy storage device. The second approach is based on the establishment of a multi-agent stabilizing system. It consists of a decentralized structure in which each agent corresponds to a stabilization block. These will locally compensate the destabilizing impact of their respective load on the microgrid, and their combined actions ensure the system stability. To design the system, the use of a constrained optimization algorithm is proposed. This permits to minimize stabilization efforts while considering faulty events such as the failure of one of the agents or a reconfiguration of the microgrid

L’intégration de l’énergie éolienne, qui est une ressource renouvelable très utilisée, n’est pas toujours facile pour le micro-réseau urbain. Dans cette thèse, une éolienne urbaine basée sur une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est étudiée pour être intégrée dans un micro-réseau urbain à courant continu. Un état de l'art concernant les énergies renouvelables, les micro-réseaux à courant continu et les stratégies de contrôle de la production d'énergie éolienne, est réalisée. Basé sur un modèle d’éolienne urbaine répondant à la demande du système électrique, qui se compose d’un émulateur de vent et de pales, un MSAP et un convertisseur DC/DC, cette thèse propose des méthodes de poursuite du point de puissance maximale satisfaisant à l’obligation de produire de l’énergie dans la mesure du possible. Une stratégie de contrôle à puissance limitée répond correctement. De simples à complexes, quatre algorithmes MPPT, P&O à pas fixe, P&O à pas variable avec la méthode Newton-Raphson améliorée, P&O à pas variable à base de logique floue et une méthode indirecte de type lookup table, sont étudiés et implémentés pour être comparés à l’aide de trois profils de vitesse du vent. Par expérimentation, les algorithmes MPPT et PLC sont comparés, analysés et discutés. Résumant tous les résultats expérimentaux, la méthode lookup table peut gérer toutes les exigences du mode de fonctionnement MPPT en présentant la meilleure performance, mais, dans le mode de fonctionnement PLC, la P&O à base de logique floue présente les meilleures performances. / The integration of the wind power, which is one mostly used renewable resource, is always one challenger for urban microgrid. In this thesis, one urban wind turbine based on a permanent magnet synchronous machine (PMSM) is studied in order to be integrated into a DC urban microgrid. A state of the art concerning the renewable energies, DC microgrid, and control strategies of wind power generation is done. Based on a model of urban wind turbine fitting the demand of urban electric system, which consists of an emulator of wind speed and blades, a PMSM and a DC/DC converter, this thesis proposes the maximum power point tracking (MPPT) methods satisfying the requirement of producing energy as much as possible, and power limited control (PLC) strategies answering the demand of flexible energy production. From simple to complex, four MPPT algorithms including Perturbation and Observation (P&O) fixed step-size method, P&O with improved Newton-Raphson method, P&O with fuzzy logic method and lookup table method are studied and implemented to be compared with each other using three wind velocity profiles. According to the experience about MPPT subject, four PLC algorithms are introduced and implemented to be analyzed and compared with each other with one power demand profile calculated randomly. Summarizing all experimental results, the lookup table method can handle all requirement of MPPT operating mode supplying the best performance, however, in the condition of more flexible power demand operating mode, the combination of P&O and fuzzy logic method presents the best performance and potential which can be achieved in future works.

L'objectif de cette thèse est de proposer l'approche la plus appropriée afin de minimiser le coût d'intégration de petite éolienne dans un micro-réseau DC urbain. Une petit éolienne basé sur un machine synchrone à aimant permanent (MSAP) est considéré à étudier. Un état de l'art concernant les énergies renouvelables, micro-réseau DC, et la production d'énergie éolienne, est fait. Comme le capteur mécanique de cette structure est relativement d'un coût élevé, les différents types de contrôle pour un système de conversion éolienne sont présentés afin de choisir une structure active de conversion d'énergie et un MSAP sans capteur. Par conséquent, un estimateur de vitesse/position est nécessaire pour contrôler le système. Ainsi, les méthodes différentes proposées dans la littérature sont considérées et classifiées à étudier dans les détails, puis les plus efficaces et largement utilisés sont à vérifier dans la simulation et expérimentalement pour le système étudié. Les méthodes choisies sont: estimation de la flux de rotor avec boucle à verrouillage de phase (PLL), observateur à mode glissement (SMO), observateur de Luenberger d'ordre réduit, et filtre de Kalman étendu (EKF). Face à d'autres méthodes, l'estimateur basé sur un modèle EKF permet une commande sans capteur dans une large plage de vitesse et estime la vitesse de rotation avec une réponse rapide. Le réglage des paramètres EKF est le problème principal à sa mise en œuvre. Par conséquent, pour résoudre ce problème, la thèse présente une méthode adaptative, à savoir réglage-adaptatif d’EKF. En conséquence, et grâce à cette approche, le coût total du système de conversion est réduite et la performance est garantie et optimisée. / The aim of this thesis is to propose the most appropriate approach in order to minimize the cost of integration of a wind generator into a DC urban microgrid. A small-scale wind generator based on a permanent magnet synchronous machine (PMSM) is considered to be studied. A state of the art concerning the renewable energies, DC microgrid, and wind power generation is done. As the mechanical sensor for this structure is relatively of high cost, various types of wind conversion system control are presented in order to choose an energy conversion active structure and a sensorless PMSM. Therefore, a speed/position estimator is required to control the system. Thus, different methods proposed in literatures are considered and classified to be studied in details, and then the most effective and widely used ones are to be verified in simulation and experimentally for the studied system. The methods which are chosen are: rotor flux estimation with phase locked loop (PLL), sliding mode observer (SMO), Luenberger observer of reduced order, and extended Kalman filter (EKF). Facing to other methods, the EKF model-based estimator allows sensorless drive control in a wide speed range and estimates the rotation speed with a rapid response. The EKF parameters tuning is the main problem to its implementation. Hence, to solve this problem, the thesis introduces an adaptive method, i.e. adaptive-tuning EKF. As a result and grace to this approach, the total cost of conversion system is reduced and the performance is guaranteed and optimized.