Choix technologiques et introduction à la problématique de dimensionnement

Ainsi que nous l’avons déjà introduit dans la section1.5: la production électrique des houlogé-nérateurs à entraînement direct, dont fait partie leSEAREV, est très fortement et fondamentalement pulsante. La puissance électrique en sortie de la génératrice présente sensiblement les mêmes carac-téristiques de fluctuations que la puissance fournie par la houle incidente. Compte tenu de la nature pendulaire de mouvement et en supposant que la période d’oscillation est égale à celle d’excitation, la puissance produite s’annule deux fois par période de vagues. A titre d’exemple, la figure2.12 dé-taille le profil de puissance de la figure2.10. Dans cet exemple, la puissance d’écrêtage Pl eva été fixée à 1 MW et le coefficient d’amortissement visqueuxβ à 5 M N .m.s−1. La valeur moyenne de la puis-sance (correspondant à l’énergie productible) de ce profil est de 300 kW.

La fluctuation de la puissance générée pose ainsi le problème de la qualité de la puissance injectée au réseau. Aussi, toute la problématique de lissage est ici déportée au niveau de la chaîne électrique et nécessite l’utilisation d’un stockage électrique à court terme et d’une stratégie de gestion adaptés.

1500⁰ 1520 1540 1560 1580 1600 1620 5 10 15^{x 10} 5 Temps (s) Puissance (W)

FIGURE2.12: Détail du profil de la figure2.10sur une durée de deux minutes

Dans le contexte des houlogénérateurs à entrainement direct, le stockage de la puissance instan-tanée en vue du lissage sera plutôt qualifié de stockage à court-terme. Le temps caractéristique d’un tel système de stockage (rapport énergie/puissance) sera situé de la dizaine à quelques dizaines de secondes (périodes de houle, bouffées de vagues). L’objectif du lissage consiste avant tout à amélio-rer la qualité de la puissance fournie et non à assuamélio-rer une continuité de fourniture qui nécessiterait elle des moyens de stockage à moyen et long termes beaucoup plus lourds. Plusieurs technologies sont a priori adaptées au cahier des charges du stockage à court terme. D’abord, une très forte te-nue en cyclage est requise (sur une durée de vie de 20 ans, ce sont environ 80 millions de cycles de houle qui donneront deux fois plus de cycles de puissance électrique⁵) ainsi qu’un bon rendement dans ces conditions de cyclage. Le stockage d’énergie dans des bobines supraconductrices permet-trait donc de répondre aux besoins en puissance, en énergie et en cyclage tout comme le stockage par volant d’inertie. Cependant, si l’on envisage un système embarqué dans le houlogénérateur, les contraintes d’autonomie empêchent l’utilisation de la première technologie qui nécessite la présence

d’un moyen de refroidissement alimenté de façon externe. Tandis que les contraintes mécaniques associées aux mouvements limitent l’utilisation de la seconde. En effet même si les volants d’inertie sont déjà utilisés dans des systèmes mobiles en contrant les effets des forces d’inertie par une mise en contre rotation de deux volants, ils posent cependant des problèmes de maintenance et de fiabilité. L’utilisation d’un dispositif statique tels les supercondensateurs, est a priori plus prometteur dans ce contexte notamment par de moindres besoins de maintenance. C’est pourquoi la technologie qui nous semble être la plus adaptée au lissage de la puissance électrique des houlogénérateurs à entraî-nement direct est celle à base de batteries de supercondensateurs.

Optimisation du dimensionnement de

l’ensemble convertisseur-machine sur un

état de mer

Sommaire

3.1 Définition du problème d’optimisation : objectifs, variables et contraintes. . . . 80

3.2 Résolution numérique du problème d’optimisation . . . 90

3.3 Analyse d’un résultat de référence . . . 100

3.4 Quelques études de sensibilité . . . 126

Introduction

L’objet de ce chapitre est de présenter la méthodologie d’optimisation du dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine (sans prise en compte du système de stockage). L’optimisation du dimensionnement est réalisée sur un cycle de fonctionnement (ensemble de points de fonction-nement Couple-Vitesse). Nous avons vu dans le chapitre précédent que le cycle de fonctionfonction-nement dépendait, en dehors de l’état de mer et du tirage aléatoire des phases initiales, très fortement des paramètres de contrôle de l’amortissement de la roue pendulaire :β le coefficient d’amortissement

visqueux et P_{l ev} la puissance d’écrêtage mécanique. Les valeurs de ces deux paramètres ne pouvant être fixées a priori, nous les considérerons comme des variables d’optimisation à part entière. Un in-térêt direct de l’écrêtage de la puissance mécanique est de pouvoir soulager le dimensionnement en puissance apparente du convertisseur électronique de puissance. Ce dernier doit donc faire partie intégrante du dimensionnement de la chaîne de conversion. Cela implique d’introduire le contrôle en défluxage dès cette étape de dimensionnement car l’écrêtage de la puissance par le contrôle de la génératrice s’accompagne d’un accroissement de la vitesse. Une génératrice qui ne présenterait pas une bonne aptitude au défluxage entraînerait le surdimensionnement du convertisseur car celui-ci serait dimensionné plutôt par la puissance de coin (produit des valeurs maximales de couple et de vitesse) que par la puissance d’écrêtage.

Après avoir développé quelques aspects méthodologiques et numériques relatifs à l’optimisation sur cycle de fonctionnement, nous présenterons le problème d’optimisation avec ses objectifs, va-riables et contraintes. La présentation d’un résultat de référence permettra de fixer des ordres de grandeurs (masses, pertes, coûts etc.) et quelques validations d’hypothèses seront effectuées sur une solution particulière. Nous effectuerons alors des études de sensibilité qui permettront de garder un œil critique sur les résultats obtenus.

Dans ce ce chapitre, nous porterons l’attention du lecteur sur la méthode adoptée. Celle-ci n’étant pas tributaire des modèles physiques particuliers que nous avons employés, nous renvoyons le détail de ces derniers dans les AnnexesCàF.

Nous appellerons cycle de fonctionnement, un ensemble de points de fonctionnement définis en couple et en vitesse, évoluant dans le temps mais suffisamment lentement pour les considérer comme une succession de régimes permanents électriques. Ce cycle de fonctionnement peut être dé-crit de manière séquentielle (ou temporelle) : la chronologie des points de fonctionnement constitue alors une dimension supplémentaire, ou alors de manière statistique : une probabilité d’apparition est associée à chaque point de fonctionnement et l’aspect temporel n’apparait pas. Selon le contexte d’application, et le besoin ou non de connaitre l’évolution temporelle des points de fonctionnement, l’un ou l’autre des formalismes peut être considéré.

Pour l’application au houlogénérateurSEAREV, et dans le cadre de certaines hypothèses, notam-ment thermiques (nous reviendrons plus loin sur ce point), un formalisme du cycle de fonctionne-ment de type statistique est envisageable. Nous verrons donc, dans la suite de cette thèse, le cycle de fonctionnement comme une suite de triplets :

Cycle =^¡¡pi,Ωi,Ti

¢¢

i ∈[1;Npt s] ^(3.1)

où Npt sest le nombre de points de fonctionnement du cycle. pi, Ωi, Tisont respectivement la proba-bilité d’apparition, la vitesse et le couple du ièmepoint de fonctionnement.

3.1 Définition du problème d’optimisation : objectifs, variables et contraintes.

Un problème d’optimisation est défini par une ou des fonctions objectif qui sont des fonctions d’une ou plusieurs variables, dont on souhaite connaitre les arguments qui les maximisent (ou les minimisent) tout en respectant des contraintes. Fonctions objectif, variables et contraintes doivent donc être définies pour notre problème d’optimisation particulier.