L’utilisation de paliers magnétiques est de plus en plus fréquente étant donné les avantages que cette technologie apporte. En effet, ces derniers permettent de léviter un objet rotatif grâce à un champ magnétique. Un roulement à billes peut être substitué par un palier magnétique. Cette substitution permet de réduire les entretiens, diminuer les pertes par friction et augmenter la durée de vie du système. Des applications nécessitant d’hautes vitesses de rotation et des pertes réduites constituent des situations exemplaires de l’utilisation de cette technologie. Un palier magnétique est une technologie avec de nombreux avantages et certains inconvénients. Par exemple, un palier magnétique hybride est un système naturellement instable et la force d’attraction magnétique est une équation fortement non-linéaire en fonction du courant et de l’entrefer. Ces caractéristiques démontrent qu’une loi de commande est nécessaire afin de stabiliser le palier magnétique. De plus, la loi de commande doit être précise et rapide. Les principales applications d’un palier magnétique incluent une rotation de l’objet en lévitation. Ceci nécessite une erreur en régime permanent nulle et une commande ajustable rapidement afin d’assurer une stabilité en tout temps. Ce mémoire traite de la validation expérimentale d’une loi de commande linéaire sur un palier magnétique sans rotation jumelant des aimants permanents et des électroaimants. Dans la littérature actuelle, la plupart des études portent sur les paliers magnétiques actifs, c’est-à-dire qui ne comportent que des électroaimants. L’ajout d’aimants permanents diminue la consommation énergétique du palier magnétique mais augmente la complexité de la loi de commande. Le présent mémoire démontre qu’il est possible de stabiliser un palier magnétique hybride homopolaire en utilisant une loi de commande linéaire tel le PID (proportionnel, intégral, dérivé). Cette étude apporte des nouvelles données à la littérature, en validant à l’aide d’un montage expérimental la loi de commande conçue et simulée à partir de MATLAB[indice supérieur MC].

L'objectif de ce travail a été d'évaluer les possibilités des convertisseurs multi niveaux pour le raccordement de systèmes de génération d'éolienne intégrant un système de stockage. La modélisation et la commande du raccordement d'une source ont été étudiées ; le convertisseur utilisé pour réaliser la connexion au réseau est contrôlé afin de réguler le bus continu intermédiaire. Cette utilisation de convertisseur de topologie NPC exige l'équilibrage du bus continu. Une solution basée sur l'utilisation des configurations redondantes est proposée. Ensuite, la généralisation pour la modélisation et la commande d'un onduleur triphasé multi niveaux est développée avec l'utilisation d'unité de stockage pour réguler le bus continu et compenser les fluctuations de puissance de l'éolienne. La supervision énergétique de cette association de deux sources est réalisée et le domaine de fonctionnement est déterminé. Différentes possibilités de connexion de ces deux sources sont développées et évaluées expérimentalement. Enfin, l'utilisation d'un convertisseur utilisant quatre condensateurs en série pour le bus continu est analysée pour le raccordement d'un système multi sources. Diverses possibilités de raccordement sur ce bus continu sont abordées et le système de supervision des puissances nécessaire pour chaque cas est présenté.

Le premier objectif du projet HYBUS est d'intégrer un système de stockage par supercondensateurs dans un trolleybus permettant la récupération de son énergie de freinage afin d'assurer la continuité de l'alimentation des systèmes électriques embarqués. A terme un système de stockage plus conséquent est prévu pour permettre au trolleybus une autonomie de quelques mètres. Notre travail étudie la durée de vie de ce système. Plusieurs tests de vieillissement accéléré sur les supercondensateurs ont été mis en place au laboratoire AMPERE. Ces essais ont mis en évidence que le cyclage engendrait une forte accélération de la diminution de la capacité et de l'augmentation de la résistance série. Cependant, ces variations sont partiellement réversibles lors des phases de repos où une régénération s'opère. Une méthode se basant sur les dégradations observées en cours d'utilisation et les dégradations demeurant après régénération, a permis une mise en équation de l'évolution des paramètres internes des supercondensateurs. Un test d'endurance de systèmes complets de stockage a aussi été réalisé au laboratoire. Les résultats expérimentaux montrent une hétérogénéité du vieillissement due à l'existence d'importants gradients de température entre les composants. De ce fait, une nouvelle méthodologie d'équilibrage visant à égaliser les durées de vie de chacun des supercondensateurs a été mise au point. L'étude a donc contribué à une meilleure compréhension et évaluation du vieillissement des supercondensateurs dans le but d'améliorer la durée de vie de système de stockage de ce type. Une méthode est proposée pour estimer les dégradations en fonction des facteurs majeurs du vieillissement.

Le concept de système multi sources, avec une gestion intégrée et optimisée de l'énergie, auquel différents systèmes de stockage sont associés est envisagé comme un élément de réponse à la problématique liée au caractère aléatoire et fluctuant de la production dispersée d'origine éolienne. Dans ce contexte, il apparaît intéressant d'associer les sources de production éoliennes et hydrauliques. Ces dernières sont en effet susceptibles, de par leur souplesse et leur disponibilité, de compenser le caractère aléatoire et fluctuant de l'éolien. Les générateurs et les systèmes de stockage d'une centrale multi sources peuvent être localisés en différents points du réseau mais sont gérés par un opérateur industriel unique. Comme la problématique de l'éolien se retrouve à tous les niveaux temporels de gestion, il est nécessaire de mettre en place une supervision multi niveaux de la centrale intégrée éolien/hydraulique/stockage envisagée. A chaque niveau correspond des objectifs et des moyens à définir pour répondre à ces exigences. Cependant, la problématique étant vaste, les travaux ont porté essentiellement sur deux niveaux : niveau " court terme " et niveau " moyen terme ". Le but de la thèse est de proposer des méthodes de supervision pour la gestion des systèmes éolien/hydraulique/stockage. Ainsi, dix superviseurs sont proposés suivant différents outils de supervision (logique floue, fonction optimisation,...). Enfin, les performances de ces superviseurs sont comparées à l'aide de différents indicateurs permettant de quantifier leurs apports en fonction des objectifs des différents niveaux de supervision (qualité de puissance, efficacité énergétique,...).

Le premier objectif du projet HYBUS est d'intégrer un système de stockage par supercondensateurs dans un trolleybus permettant la récupération de son énergie de freinage afin d'assurer la continuité de l'alimentation des systèmes électriques embarqués. A terme un système de stockage plus conséquent est prévu pour permettre au trolleybus une autonomie de quelques mètres. Notre travail étudie la durée de vie de ce système. Plusieurs tests de vieillissement accéléré sur les supercondensateurs ont été mis en place au laboratoire AMPERE. Ces essais ont mis en évidence que le cyclage engendrait une forte accélération de la diminution de la capacité et de l'augmentation de la résistance série. Cependant, ces variations sont partiellement réversibles lors des phases de repos où une régénération s'opère. Une méthode se basant sur les dégradations observées en cours d'utilisation et les dégradations demeurant après régénération, a permis une mise en équation de l'évolution des paramètres internes des supercondensateurs. Un test d'endurance de systèmes complets de stockage a aussi été réalisé au laboratoire. Les résultats expérimentaux montrent une hétérogénéité du vieillissement due à l'existence d'importants gradients de température entre les composants. De ce fait, une nouvelle méthodologie d'équilibrage visant à égaliser les durées de vie de chacun des supercondensateurs a été mise au point. L'étude a donc contribué à une meilleure compréhension et évaluation du vieillissement des supercondensateurs dans le but d'améliorer la durée de vie de système de stockage de ce type. Une méthode est proposée pour estimer les dégradations en fonction des facteurs majeurs du vieillissement.

Un réseau insulaire est un système fragile et sensible aux variations de charge ou de production notamment d'origine renouvelable et intermittent. Ce problème devient crucial avec l'augmentation dans ces réseaux de production éolien ou PV en remplacement des sources actuelles (diesel, etc.). Cela impacte directement la stabilité du réseau, notamment la fréquence. Les moyens de stockage pourraient dès lors participer au réglage primaire de la fréquence, en limitant des variations après une perturbation. L'objectif de cette thèse consiste ainsi à étudier la participation du stockage pour maintenir la stabilité en fréquence dans un réseau insulaire en augmentant le taux de pénétration d'énergie renouvelable. Un algorithme de dimensionnement et différentes stratégies de contrôle du système de stockage ont ainsi été développés en fonction de variations réellement observées sur un parc PV. Notre étude est séparée en 2 parties. La première partie concerne la modélisation de l'intermittence de la production PV. La puissance PV a ainsi été caractérisée en fonction de son impact sur la variation de la fréquence, afin de définir toute situation critique. Ensuite, la technologie et les critères de dimensionnement du dispositif de stockage et la stratégie de pilotage et de contrôle-commande pour surveiller et contrôler le système de stockage ont été proposés et validées à partir de simulations. Ces stratégies ont été élaborées soit à partir de critères qualitatifs définie dans le domaine temporel, soit à partir d'une stratégie de filtrage fréquentiel des différentes sources. Par ailleurs, pour garantir des critères de robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques notamment sur la mesure des variations PV, une commande robuste (utilisant un contrôleur H infinie) a été conçu et validé. Les différentes stratégies proposées peuvent plus ou moins réduire la variation de la fréquence suite à perturbation et permettre de réduire significativement la participation de la source principale d'énergie au réglage de la fréquence. Par ailleurs, les résultats ont permis de faire un lien entre le taux de pénétration des énergies renouvelables photovoltaïques dans un micro réseau et la tenue en fréquence dans ce réseau. / Frequency of isolated microgrids is highly sensitive to active power variation of loads and productions because of the inertia equivalent of this grid is small (limited number of thermal generators). Furthermore, the increasing of renewable energy in this grid causes frequency more risky to be instable because of its intermittency of power. In this thesis, energy storage is the selected solution to maintain the frequency stability of isolated microgrids with high penetration rate of renewable energy. It will participate to the primary frequency control which is the first control that takes action to limit the frequency deviation after disturbance. Therefore, the objective of this thesis is to design the appropriate size and strategy of energy storage in isolated microgrids with high penetration rate of photovoltaic. Proposed strategies will link to power variation of PV. Therefore, the different situations of photovoltaic power variations and their impacts on the system frequency had been firstly characterized and studied in order to specify the critical situation of frequency variation. Then, different strategies for energy storage and their sizes were defined from these two studies. The strategy limit dPpv diagram and filter strategy were proposed to define the participated power of energy storage in primary frequency control from the measured power variation of PV. Furthermore, controller H infinity which is robust control was also proposed. Finally, energy storage control system was validated by RTLAB (real time simulation) which enable us to simulate the hardware. The results show that energy storage by proposed strategies is able to stabilize frequency of the power system by limiting the frequency deviation to be within an acceptable range after occurrence of any disturbance. The proposed strategies can increase larger participated power of the energy storage with less frequently than the classic droop control.

L’intégration croissante de la Génération Distribuée basée sur des sources d’énergies renouvelables présente de nouveaux défis pour le réseau électrique centralisé actuel. Le micro-réseau est une des alternatives envisagées afin d’augmenter le taux de pénétration d’énergie renouvelable et d’améliorer la qualité de l’énergie. La stabilité d’un micro-réseau est fortement sensible aux variations de puissance venant des sources d’énergie ou des charges. Dans ce contexte, un système de stockage d’énergie joue un rôle essentiel et doit satisfaire deux conditions : disposer d’une capacité de stockage importante pour adapter la production à la demande et être capable de fournir rapidement une puissance instantanée suffisante pour pallier les problèmes de qualité d’énergie. L’objectif principal de cette thèse est de concevoir et valider expérimentalement un système de conversion de puissance et l’algorithme de contrôle associé pour la gestion du stockage dans un micro-réseau afin de satisfaire les deux conditions. Suite à l’analyse de différentes technologies de stockage, on peut conclure qu’il n’y a pas de système de stockage capable de satisfaire les conditions d’énergie et de puissance en même temps. Par conséquent, l’association d’un supercondensateur et d’une batterie Redox au Vanadium dans un Système de Stockage Hybride est utilisée pour satisfaire les conditions mentionnées. Le travail de recherche est axé sur la gestion du flux d’énergie et de puissance du Système de Stockage Hybride proposé à l’aide d’un système de conversion de puissance innovant et son algorithme de commande. Un convertisseur multi-niveaux 3LNPC a été choisi pour commander en même temps les deux systèmes de stockage, en raison de faibles pertes de puissance et de distorsions harmoniques réduites en comparaison avec d’autres topologies existantes. Un algorithme de commande capable d’exploiter les limites de fonctionnement du convertisseur sur toute sa plage de fonctionnement a été conçu afin de satisfaire de manière optimale les critères spécifiés. Le fonctionnement du système de conversion et la stratégie de commande proposée ont été validés d’abord en simulation et ensuite expérimentalement en utilisant le micro-réseau installé à l’ESTIA. / The increasing penetration of Distributed Generation systems based on Renewable Energy Sources is introducing new challenges in the current centralised electric grid. The microgrid is one of the alternatives that is being analysed in order to increase the penetration level of renewable energy sources in electrical grids and improve the power quality. The microgrid stability is highly sensitive to power variations coming from the energy sources or loads. In this context, an energy storage system is essential and it must satisfy two criteria: to have a high storage capacity to adapt the generation to the demand and to be able to supply fast power variations to overcome the power quality problems that may arise. The main objective of this thesis has been to design a power conversion system and the associated control algorithm for a storage system management in order to satisfy the defined requirements, as well as to experimentally validate the proposed solution. After an analysis of different storage system technologies, it can be concluded that there is not any storage system capable of offering the energy and power requirements at the same time. Consequently, the association of a SuperCapacitor bank and a Vanadium Redox Battery is used to satisfy the mentioned requirements. This thesis has been focused on the power and energy flow management of the proposed Hybrid Energy Storage System through an innovative power conversion system and its control method. A Three-Level Neutral Point Clamped converter has been used to control at the same time the two storage systems, due to the reduced power losses and harmonic distortion compared to other existing topologies. A control algorithm that uses the operational limits of the converter in its entire operation range has been designed in order to allow selecting the best operation point according to the specified criteria. The operation of the power conversion system and the proposed control method have been first validated in simulations and then experimentally using the microgrid installed in ESTIA.

Le « Lithium-Ion Capacitor » (LiC) est un supercondensateur hybride dont les caractéristiques peuvent être placées entre un condensateur à double couche électrique (supercondensateur) et une batterie lithium-ion. Il possède des densités d’énergie et de puissance intermédiaires grâce à sa composition hybride à base d'une électrode positive en charbon actif identique à celle d’un supercondensateur et d'une électrode négative en carbone pré-lithié identique à celle d’une batterie lithium-ion. L'objectif de cette thèse est d'étudier le vieillissement des LiC industrialisés aussi bien dans le cadre d’un vieillissement en stockage (calendaire) qu’en utilisation (cyclage). Un de leur spécificité principale concerne l’évolution particulière de leur capacité en fonction de la tension à leurs bornes (C(V)). Le premier type de vieillissement qu’est le vieillissement calendaire permet de représenter le comportement des LiC lorsqu’ils sont stocker avant utilisation ou lorsqu’ils sont en veille. La dégradation de leurs paramètres liée au vieillissement, est alors essentiellement influencée par leur tension et la température. Des essais de vieillissement à trois tensions caractéristiques et deux températures différentes sont étudiés. L’évolution des impédances des cellules a été suivie tout au long du vieillissement afin d’identifier un modèle électrique de suivi du vieillissement dont les paramètres sont liés aux phénomènes électrochimiques. Par ces essais, la meilleure tension de stockage des LiC, permettant la prolongation de leur durée de vie a été mise en évidence. Par ailleurs, des mécanismes de vieillissement différents d’une tension caractéristique à l’autre sont révélés et soulignent la spécificité de fonctionnement des LiC. Ces résultats ont été confirmés par des analyses post-mortem. Le second type de vieillissement étudié est le vieillissement par cyclage qui prend en compte l'impact du courant sur la durée de vie des LiC. Le choix des profils de courant de cyclage a été effectué en considérant le principe de fonctionnement électrochimique des LiC. Les évolutions des impédances et des courbes C(V) des cellules sont comparées et interprétées. Les mécanismes de vieillissement prenant naissance lors du cyclage continu sont abordés. Ils dépendent de la fenêtre de potentiel sur laquelle les LiC fonctionnent pendant leur utilisation. La fenêtre de tension optimale qui assure une longue durée de vie des LiC est aussi mise en évidence / Lithium-Ion Capacitors (LiCs) are the new emerging technology of hybrid supercapacitors that combines the advantages of conventional supercapacitors and lithium-ion batteries. They provide intermediate energy and power densities due to their hybrid composition based on a positive electrode made of activated carbon similar to that of supercapacitors and a negative electrode made of pre-lithiated carbon similar to that of lithium-ion batteries. The aim of this thesis is to study the aging of commercial LiCs using two accelerated aging procedures: calendar aging and cycle aging. One of their main particularities concerns the nonlinear capacitance evolution with respect to their voltage (C(V) curve). The first accelerated aging test is related to the calendar life of LiCs that represents their behavior independently of their usage. The degradation of their parameters due to aging is mainly affected by the voltage and the temperature only. These tests were applied to several cells at three different voltage values and two temperatures. The evolution of their impedances were followed during the whole aging period in order to identify an electrical model that can accurately describe the progress of aging and that possesses electrochemically meaningful parameters. The best voltage value that ensures the extension of the lifetime of LiCs was identified using the results of these tests. In addition, aging mechanisms that extremely depend on the applied voltage value were identified. They highlight the particularity of the functioning of LiCs. These results were confirmed using post-mortem analyses. The second accelerated aging test is the cycle aging that assesses the impact of the current on the life cycle of LiCs. The choice of current profiles was based on the electrochemical operating principle of LiCs. The evolution of the impedances and the C(V) curves of LiCs were compared and analyzed. Aging mechanisms produced during cycle aging were also evaluated. They depend on the voltage range in which the LiC operates. The optimal voltage window that guarantees a long lifetime of LiCs was highlighted

Le premier objectif du projet HYBUS est d’intégrer un système de stockage par supercondensateurs dans un trolleybus permettant la récupération de son énergie de freinage afin d’assurer la continuité de l’alimentation des systèmes électriques embarqués. A terme un système de stockage plus conséquent est prévu pour permettre au trolleybus une autonomie de quelques mètres. Notre travail étudie la durée de vie de ce système. Plusieurs tests de vieillissement accéléré sur les supercondensateurs ont été mis en place au laboratoire AMPERE. Ces essais ont mis en évidence que le cyclage engendrait une forte accélération de la diminution de la capacité et de l’augmentation de la résistance série. Cependant, ces variations sont partiellement réversibles lors des phases de repos où une régénération s’opère. Une méthode se basant sur les dégradations observées en cours d’utilisation et les dégradations demeurant après régénération, a permis une mise en équation de l’évolution des paramètres internes des supercondensateurs. Un test d’endurance de systèmes complets de stockage a aussi été réalisé au laboratoire. Les résultats expérimentaux montrent une hétérogénéité du vieillissement due à l’existence d’importants gradients de température entre les composants. De ce fait, une nouvelle méthodologie d’équilibrage visant à égaliser les durées de vie de chacun des supercondensateurs a été mise au point. L’étude a donc contribué à une meilleure compréhension et évaluation du vieillissement des supercondensateurs dans le but d’améliorer la durée de vie de système de stockage de ce type. Une méthode est proposée pour estimer les dégradations en fonction des facteurs majeurs du vieillissement. / The first objective of the HYBUS project is to integrate a supercapacitor storage system in a trolleybus in order to ensure the continuity of onboard electrical systems supply. The aim is to integrate an energy storage system, composed by a huge number of supercapacitors, for the recovery of the braking energy of trolleybus and allow autonomy for several meters. Our work concerns the study of the lifetime of the storage system. Several accelerated aging tests on supercapacitors were developed in the AMPERE aboratory. These tests have shown that as far as ageing are concerned; the cycling is the major responsible. However, these changes are partially reversible during the rest time when regeneration phenomena are observed. A method based on the observed damage during cycling and the damage after regeneration, leads to a formal equation for the evolution of internal parameters of supercapacitors. An endurance test of complete storage systems was also performed in the laboratory. Experimental results show the heterogeneity of aging due to the existence of significant temperature gradients between components. As a result, a new balancing strategy to equalize the lifetime of each supercapacitors has been developed. In conclusion, our study has contributed to a better comprehension and evaluation of supercapacitors aging in order to improve the lifetime of this type of energy storage system. A method for the estimation of the supercapacitor lifetime has been also proposed.

Dans le domaine aéronautique, l'optimisation du rendement énergétique global, la réduction des masses embarquées et la nécessité de répondre aux besoins énergétiques croissants conduisent à développer de nouvelles technologies et méthodes pour générer l'énergie électrique à bord, pour la distribuer, la convertir et la stocker. Dans cette thèse, des éléments de stockage de l'énergie électrique sont caractérisés dans l'optique d'être modélisés. Parmi les différents systèmes de stockage, présentés dans un état de l'art préliminaire, sont retenus les supercondensateurs et les accumulateurs électrochimiques Lithium-ion polymère, considérés respectivement comme des sources de puissance et d'énergie, à l'échelle de l'application. Ces moyens de stockage sont caractérisés par chronopotentiométrie à courant constant et par spectrométrie d'impédance électrochimique. Les essais sont éffectués dans des conditions expérimentales, définissant le domaine de validités des modèles, en cohérence avec les contraintes de l'application finale. Différents modèles sont alors développés en fonction de leur utilisation : des modèles simples, fonctionnels et suffisants pour la gestion globale d'énergie et des modèles dynamiques, comportementaux et nécessaires pour l'analyse de la qualité du réseau. Ils sont ensuite validés sur des profils de mission. Pour disposer d'un système de stockage performant et en adéquation avec les besoins énergétiques de l'aéronef, une méthode de dimensionnement est proposée, associant des composants de stockage complémentaires. Un gestion fréquentielle des sources est mise en oeuvre de manière à minimiser la masse du système de stockage.