Les véhicules électriques et hybrides font partie des éléments clés pour résoudre les problèmes de réchauffement de la planète et d'épuisement des ressources en combustibles fossiles dans le domaine du transport. En raison des limites des différents systèmes de stockage et de conversion d’énergie en termes de puissance et d'énergie, les hybridations sont intéressantes pour les véhicules électriques (VE). Dans cette thèse, deux hybridations typiques sont étudiées • un sous-système de stockage d'énergie hybride combinant des batteries et des supercondensateurs (SC) ; • et un sous-système de traction hybride parallèle combinant moteur à combustion interne et entraînement électrique. Ces sources d'énergie et ces conversions combinées doivent être gérées dans le cadre de stratégies de gestion de l'énergie (SGE). Parmi celles-ci, les méthodes basées sur l'optimisation présentent un intérêt en raison de leur approche systématique et de leurs performances élevées. Néanmoins, ces méthodes sont souvent compliquées et demandent beaucoup de temps de calcul, ce qui peut être difficile à réaliser dans des applications réelles.L'objectif de cette thèse est de développer des SGE simples mais efficaces basées sur l'optimisation en temps réel pour un VE et un camion à traction hybride parallèle alimentés par des batteries et des SC (système de stockage hybride). Les complexités du système étudié sont réduites en utilisant la représentation macroscopique énergétique (REM). La REM permet de réaliser des modèles réduits pour la gestion de l'énergie au niveau de la supervision. La théorie du contrôle optimal est ensuite appliquée à ces modèles réduits pour réaliser des SGE en temps réel. Ces stratégies sont basées sur des réductions de modèle appropriées, mais elles sont systématiques et performantes. Les performances des SGE proposées sont vérifiées en simulation par comparaison avec l’optimum théorique (programmation dynamique). De plus, les capacités en temps réel des SGE développées sont validées via des expériences en « hardware-in-the-loop » à puissances réduites. Les résultats confirment les avantages des stratégies proposées développées par l'approche unifiée de la thèse. / Electric and hybrid vehicles are among the keys to solve the problems of global warming and exhausted fossil fuel resources in transportation sector. Due to the limits of energy sources and energy converters in terms of power and energy, hybridizations are of interest for future electrified vehicles. Two typical hybridizations are studied in this thesis: • hybrid energy storage subsystem combining batteries and supercapacitors (SCs); and• hybrid traction subsystem combining internal combustion engine and electric drive. Such combined energy sources and converters must be handled by energy management strategies (EMSs). In which, optimization-based methods are of interest due to their high performance. Nonetheless, these methods are often complicated and computation consuming which can be difficult to be realized in real-world applications.The objective of this thesis is to develop simple but effective real-time optimization-based EMSs for an electric car and a parallel hybrid truck supplied by batteries and SCs. The complexities of the studied system are tackled by using Energetic Macroscopic Representation (EMR) which helps to conduct reduced models for energy management at the supervisory level. Optimal control theory is then applied to these reduced models to accomplish real-time EMSs. These strategies are simple due to the suitable model reductions but systematic and high-performance due to the optimization-based methods. The performances of the proposed strategies are verified via simulations by comparing with off-line optimal benchmark deduced by dynamic programming. Moreover, real-time capabilities of these novel EMSs are validated via experiments by using reduced-scale power hardware-in-the-loop simulation. The results confirm the advantages of the proposed strategies developed by the unified approach in the thesis.

L’intégration des méthodes numériques dans les procédés industriels à son origine à l’apparition des ordinateurs, et est de plus en plus intégré parallèlement au développement de la technologie. Dans le cadre des procédés industriels où interviennent des structures en mouvement, il est intéressant d’avoir de méthodes de calcul rapide pour de problèmes non linéaires, comme par exemple, la manipulation de matériaux souples par robots. La résolution de ce type de problème reste encore comme un défi pour l’ingénierie. Malgré l’existence de nombreuses méthodes pour résoudre les problèmes dynamiques, aucun n’est adaptée à la simulation en temps réel. Pour la façon de résolution, nous avons divisé le problème dynamique en deux sous-problèmes : le problème direct, qui consiste à calculer les déplacements en fonction de la force appliqué, et le problème inverse, dans lequel on calcule la force en fonction des déplacements appliqués. / Integration of numeric methodes in industrial procedures starts with the development of the computers, and its being integrated as its grows the technology. In the industrial procedures where moving structrues are involved, its necessary the hability of fast computing in non lineare problems, for example, material manipulation by soft robots. The solution of this kind of problems is still a challenge for the engineering. Despite the existance of numerous methodes to solve the dynamic problem, non of them is adapted to real time simulation. By the way of facing the problem, we have divised the dynamic problem in two subproblems: the direct problem, where displacements are computed when an external force is applied, and the inverse problem, where the external force is computed from the displacements.

Partant des concepts de la théorie des systèmes hiérarchises, on définit un langage et son interpréteur permettant de décrire formellement et d'expérimenter des systèmes à architecture hiérarchisée. On introduit des dispositifs évolués de simulation du temps et on montre que les notions de hiérarchie apportent une dimension nouvelle aux langages et techniques de simulation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

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

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur les convertisseurs continu-continu (DC/DC) pour les réseaux de transport à Courant Continu (HVDC) dans un contexte de réseau maillé de type Multi Terminaux DC (MTDC). Dans ce genre de réseau, les convertisseurs DC/DC sont nécessaires pour interconnecter ces réseaux. L’objectif de ce travail est donc d’étudier un convertisseur DC/DC pour des applications à haute tension et forte puissance. De nombreux convertisseurs DC/DC classiques existent, mais ne sont pas adaptés à ces niveaux de tension et puissance. Le volume et coût sont les points clés de l’étude pour l’industrialisation des structures dédiées aux réseaux HVDC. Parmi les structures identifiées, le convertisseur DC-DC Modulaire Multiniveaux (M2DC), récent et compact, a été finalement choisi. Le travail proposé développe l’étude du M2DC en régime établi et une modélisation en modèle moyen de ce convertisseur. Ensuite, des lois de contrôle sont proposées pour valider les analyses précédentes sur la base du principe de l’inversion du modèle. Le travail vise enfin à valider les analyses et le contrôle à l’aide de la maquette du Convertisseur Modulaire Multiniveaux (MMC) du L2EP. Pour cela, un dimensionnement du M2DC basé sur le MMC existant est proposé. Enfin, des simulations HIL (Hardware-In-the-Loop) valident les analyses et montrent la faisabilité du prototypage du M2DC / This work is based on Multi Terminal Direct Current (MTDC) grids. In the MTDC grid, DC/DC converter stations are needed to connect different HVDC grids. A lot of DC/DC converters have been studied and developed, but are not suitable for high voltage and great power constraints. Therefore, the objective of this work is the study of a DC/DC converter for high voltage and great power applications. For the potentially HVDC applications, the volume and costs are major criteria. According to this, a high voltage and great power potential DC/DC converter is selected, which is the DC-DC Modular Multilevel Converter (M2DC). Focusing on the M2DC, the work proposes analyses in steady state and builds an average model for the converter. Based on the average model, the basic control algorithm for the converter is developed to validate the previous analysis. Since the thesis aims to use the existing L2EP Modular Multilevel Converter (MMC) to test the M2DC model and control, a design of the M2DC based on MMC is proposed. Finally, the M2DC HIL (Hardware In-the-Loop) simulations results are presented confirming previous analyses and allowing to go on to prototyping the M2DC on the base of the existing MMC