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et réalisation
Matthieu Hauck
To cite this version:
Matthieu Hauck. Optimisation de l’architecture et de la commande de la chaîne électrique d’une hydrolienne fluviale : conception et réalisation. Autre. Université de Grenoble, 2011. Français.
�NNT : 2011GRENT113�. �tel-00732840v2�
THÈSE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Génie Électrique Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
«Matthieu HAUCK»
Thèse dirigée par«Pr. Daniel ROYE»et codirigée par«Pr. Seddik BACHA»
préparée au sein duLaboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2ELab) dans l’École Doctorale : Électronique, Électrotechnique,
Automatique et Traitement du Signal (EEATS)
Optimisation de l’architecture et de la commande de la chaîne
électrique d’une hydrolienne fluviale : conception et réalisation
Thèse soutenue publiquement le 2 Décembre 2011, devant le jury composé de :
Pr., Mohamed El Hachemi, BENBOUZID
Professeur des Universités, Université de Bretagne Occidentale,Président/Rapporteur
Pr., Cristian, NICHITA
Professeur des Universités, Université du Havre,Rapporteur
Dr., Ion, ETXEBERRIA-OTADUI
Manager au centre de recherche IKERLAN (Espagne),Examinateur
Dr., Antoneta-Iuliana, BRATCU
Maître de Conférences, GIPSA-Lab à Grenoble,Examinateur
Dr, Pascal, MESTRE
Maître de Conférences, Université Paul Cézanne (Aix-Marseille III),Examinateur
Dr., Axel, RUMEAU
Ingénieur d’Etudes, G2ELab à Grenoble,Examinateur
Pr., Daniel, ROYE
Professeur des Universités, Grenoble INP,Directeur de thèse
Pr., Seddik, BACHA
Professeur des Universités, Université Joseph Fourier,Directeur de thèse
REMERCIEMENTS
MathèseaétéeetuéeauseinduG2ELAB(Grenoble GénieEletriqueLABoratoire)
d'otobre 2008 à déembre 2011. Cette partie a pour but d'exprimer mes remeriements
à toutes les personnes qui de près ou de loin m'ont aidé et-ou soutenu an de mener e
travailà terme.
Tout d'abord je souhaiteremerier très haleureusement mes deux enadrants, le pro-
fesseurDaniel ROYE et le professeur Seddik BACHA. Je vousai onnu lors de mon
annéedemasterreherhe,àtraversvosours,maisj'aiaussieulahanedepouvoirfaire
monstage M2R ave vous surle sujet deshydroliennes qui devint par la suite mon sujet
dethèse.Meriénormément pour votreonaneetvosenouragements.J'aimeàdireque
j'ai eu la hane d'avoir la dream team des enadrants, e que je pense sinèrement. Si
'était àrefaireje ne souhaiteraislerefaire qu'ave vous.
MeriDanielpourtouslesmomentspassésensemble,pourvotreouverture d'esprit,pour
nos longues onversations, sientiques ou non sur des sujets de toutes sortes. Vous êtes
quelqu'un quej'appréie énormément etje suis très heureuxet erdevousavoir onnu.
MeriSeddikpourtoutes nosdisussions.Que l'onsoit d'aordou pas(equi estarrivé
fréquemment),touts'esttoujourstrèsbienpassé.Meripourtaultureextraordinairesur
tant desujetsvariésqui ont faitde esannées unmoment d'exeption.
Je tiens aussi à noter vos fréquentes partiipations à nos soirées d'anniversaire, pots de
thèse et autres. Il n'est pas ourant que les hefs partiipent autant à ela et votre
présene, àhaquefois,a faitplaisir à toutlemonde.
Je tiens à remerier aussi énormément les personnes qui m'ont fait l'honneur de pré-
sider etde rapporter mes travaux. Je penseau professeur Mohamed BENBOUZIDet
au professeur Cristian NICHITA partiulièrement, qui ont eu la tahe d'être respeti-
vement rapporteur/président etrapporteur.
Meri également auDr Ion ETXEBERRA-OTUIDI d'avoir pris deson temps an de
jugermestravauxetd'avoir étéprésent lorsmasoutenane.Meri pour vosommentaires
etlesdisussions qui ont pu ensuivre.
Dans les membres du jury était aussi présent le Dr Pasal MESTRE, grae à qui
j'ai pu arriver à e stade. Nous nous sommes onnus pour ma présentation de stage de
BTS, vous m'avez ensuite permis d'intégrer la faulté de Saint-Jérme (à Marseille). Je
n'oublierai jamais e que vousavez fait pour moi. Vous m'avez permis de ontinuer mes
étudesqui,àemomentlà,étaientquelquepeuompromises.JetiensàassoierFrançoise
PERRIN( lapetiteFrançoise) àesremeriements.Meri àtouslesdeux d'avoirru
enmoi etde m'avoir laissé une seondehane.
Durant ette thèse,j'ai eu ommelonduteur la réationd'unprototype à l'éhelle
unitaire.Laoneptiond'untelsystèmeanéessitél'aidedenombreusespersonnes,spéia-
lementlesserviestehniquesdulaboratoire.C'estpourquoij'adresseiidesremeriements
partiuliers à eux-i,que je suis allé solliiter en ontinu durant plusieurs moispour des
problèmes plus oumoinsimportants.
Tout d'abord Joël GUIRAUD, ingénieur de reherhe, qui malgré son départ vers une
autre éole,a toujours étéàl'éoute etm'atoujours onseillé.
Je souhaiteaussiremerierJaques DAVOINE(meri pour tadisponibilité,tapatiene
et tes réexions), Gigi (meri pour ta bonne humeur, ton aide sur tous es souisméa-
niques)etEri GENTIL(meripourlessouduresdanslefroidduontainer entreautre).
EnnungrandmeritoutspéialpourAlexRUMEAU(doteuretingénieurd'étude)
quiasuivilaoneptionduproto,lesétudes,lesessaisetlesjournéesdegalère surelui-i.
Je pense qu'on a fait du bon boulot ensemble etje suis er d'avoir bossé ave toi. Tu as
aussifait partie demonjury etje t'enremerie.
Sur la partie tehnique, je souhaite remerier grandement Mr Bertrand ALLEE,
ingénieur hez PARVEX SSD pour sadisponibilité, sonaidepour lamiseen routedesva-
riateurs, deleurs ontrles etpour sapartiipationaux essais.Je vousappréie beauoup
etje vousremerie aussid'avoir puvenir pour masoutenane.
Parmi lespersonnesquej'aidûmettreleplusà ontribution, je voudraisdirequelques
mots sur deux amis, Antoneta et Iulian. Nous nous étionsdit au revoir lors d'une fête
mémorable dansleourantdel'année2010arvousaviezdurentrerhezvous,enRouma-
nie. Cesadieux lourds etpénibles del'époquesesont transformésquelquesmoisplustard
en la joie de vous retrouver en Frane. Je tiens du fond du oeur à vous remerier pour
votre aide.
Anto, meribeauouppour ta partiipation, ta patienehors du ommun,ton alme
et pour être toujours disponible pour expliquer les hoses. Toutes les onnaissanes en
automatique que j'ai pu aquérir durant es années, je te les dois. Aussitu asfais partie
de mon jury. En fait je suis le premier thésard à t'avoir eu dans mon jury, meri d'avoir
aepté.
Iulian,meri pour tout, pour m'avoir fait proter de ta siene, de l'appréhension et
la ompréhension des systèmes. J'ai bien retenu la leçon, quand ça ne fontionne pas, il
faut mettreunltre...inroyablemaisçamarhe.Meriaussipour tonexpliationenlong
eten travers desoutumesetde l'histoire de ton pays.
Vousêtestousles deuxdespersonnesextraordinaires,tant surleplansientiquequesur
leplanhumain.Toujourslàpourrendreservieettoujoursdisponibles.MERCIpourtout.
Lesplusgrandsremeriementsquej'aiàadresseronernent mamère,Marie-Laure
FABIANI. Meri maman. Tu as toujours été là pour moi,tu l'estoujours ettu leseras
toujours. Noussommes passéspar des momentsdiiles etdesmoments de joiesmais tu
m'astoujourssoutenudansmesétudesquoiqueelat'enaioûté.Siaujourd'huij'airéussi
à arriverlàou je lesouhaitais,'est majoritairement grâeà toi. MERCIpour tout.
Pour ontinuer sur ma famille et mes amis, je pense aussi du fond du oeur à tout
le monde : Tatie Dany, Ninou, Françoise, Hélène, Jaqueline, Sylvie, Johanne,
Marjorie, Gérard, Gilbert, Alain, André, Ali, Fabrie, Rémi, Laurent, Olivier,
Myriam, Marianne, ...
Ilestpossiblequej'enoubliemaissinérement,meri.Dansvotreensemble,vosdiérenes,
vosaratères,je suis e queje suis graeà vous.
Je souhaite maintenant passeràmahérie, Claire.Merid'être là,meri d'avoir tou-
joursétélà. Jenoussouhaite unebellevie, entourés de gensquenousaimonsetune belle
famille pour tousles deux.
Il estmaintenant temps depasserà touslesamisdu laboratoire. Eneet esquelques
annéespasséesà vostés ontétémagniquesetvotresoutientant sientiquequemoral
m'a beauoupaidé pendant lathèse.
Tout d'abord je pense à Maria, ave qui j'ai eu la hane de travailler, sur le même
sujet quesont les hydroliennes depuis monstage de master reherhe. Tu astoujours eue
beauoup de patieneave moiettu astoujours été làpour m'expliquer les hoses. Tu es
quelqu'un d'une rare gentillesse et je te remerie pour tout. J'assoie aussi Benjamin à
es remeriements. Je vous souhaite à vous deux ainsi qu'à votre petite Lorelaï tout le
bonheur dumonde.
Un grand meri à Monia, lameilleure ollégue de bureau qu'on puisse avoir. Meri
pour ta bonne humeur,ta folie, pour toutes esdisussions qu'on a puavoir. Tu espartie
dulabo eta laisséun grandvide.Je tesouhaitede réussir au maximum.
Une autre personne a aussi ni sa thèse dans le bureau (vers la n). Oui Didier,
'est de toi dont je parle. Meri pour ton aide, ton amitié,... Meri pour tous les bons
momentspassésensemble,de GrenobleàMarseilleenpassantpar laCorse, jepensequ'on
aréussi àbienproter.
JepenseaussiàDavid,monolloatairependantestroisannéesdethèse.Meripour
ton aide, pour nosdisussions,je tesouhaitebeauoupde bonheurave Elodie.
Une autre dédiae àBill;meripour nosdébats surlapolitique, lefoot etautre. Tu
esparti plusttque lesautres maison s'estbienappréiés. Meri.
Je tiens aussià remerierHarunpourles bonsmomentsquel'ona passéetquionti-
nuent en Post-Do.Meri d'être toi ave toutes tes histoiresplus inroyables lesunes que
lesautres.
Nepouvantdireunmotsurtoutlemonde,jetiens àavoirunepenséepartiulièrepour
Adi, Cristian, Ana, Kata, Otavian, Diana, Yasmine, Olivier, Niolas, Man-
sour, Benoît, Ulrih, Mirella, Camille, Rim, Florian, Delphine, Elise, Sylvie,
Rosita, ... toutes es personnes formidables que j'ai eu la hane de otoyer au labora-
toire, toujours disponiblestoujours souriantes, meri.
Je souhaite aussi remerier mes amis hors laboratoire onnus à travers une passion
ommune qui est l'oenologie. Et depuis au gré de l'organisation de repas, apéritifs,... j'ai
lahanede vousvoirfréquemment. Je souhaitedon vousremerierpourtous lessupers
momentspassésensembleetqui,jel'espère,ontinueront. JepensepartiulièrementàEls,
Niolas, Louane, Caroline, Sebastien, Luille et David.
Pour nir je désire dédier ette thèse à la mémoire de mes prohes partis trop vite.
Ninou "grande", Mado, Mamies,vousserez toujours dansmonoeur.
Notations xi
Introdution générale 1
I Généralités sur les hydroliennes 3
I.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.2 D'un point de vue marin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.2.1 Ressoures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.2.2 Projetsimportants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.2.2-1 Le onept MCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.2.2-2 OpenHydro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.2.2-3 Alstom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
I.2.3 Autresonepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
I.2.4 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
I.3 D'un point de vue fluvial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.3.1 Ressoures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.3.2 ProjetRITE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.3.3 LeprojetCORE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
I.3.4 FreeFlowPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
I.3.5 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I.4 Projet HARVEST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
I.4.1 StrutureduprojetHARVEST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
I.4.2 Prinipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Transmission duouple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
I.4.3 DeHARVEST 1àHARVEST2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
I.5 Conlusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
II Choix strutures et arhitetures 25 II.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
II.2 Arhitetures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
II.2.1 Arhitetureméanique/hydro-méanique . . . . . . . . . . . . . . . . 26
II.2.1-1 L'empilement des turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
II.2.1-2 Le onept de doubleolonne . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
II.2.1-3 Le prinipe de arénage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
II.2.2 Arhitetureéletrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
II.2.2-1 La génératrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
II.3 Commandes de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
II.3.1 Modélisationdugénérateursynhrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Prinipe demodélisationvetorielle . . . . . . . . . . . . . . . 31
Modèle de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
II.3.2 Modélisationdesonvertisseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Redresseur tégénératrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Onduleurté réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
II.3.3 Modélisationdeszonesstablesetinstables . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
II.3.4 Commandeenourant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
II.3.4-1 Commande enourant témahine . . . . . . . . . . . . . 38
Calul lassiqued'unPID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Calul pratiqued'unRST enontinu . . . . . . . . . . . . . . 42
Calul pratiqued'unRST par plaement de ples endisret . 43 II.3.4-2 Commande enourant téréseau . . . . . . . . . . . . . . 46
Calul d'unPIrésonnant par laméthode du polynme de Naslin 46 II.3.5 Commandeenvitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
II.4 Types de harges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II.4.1 Réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II.4.2 Réseauisolé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
II.4.3 Chargesontinues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
II.5 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
IIISupervision 55 III.1Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
III.2Présentation de la plateforme temps-réel hybride . . . . . . . . . 56
III.2.1 Emulationéolienne/hydrolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
III.2.2 Génération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
III.2.3 Commandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
III.3Commande en puissane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Courant destabilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Identiationdu systèmeen boule ouverte . . . . . . . . . . 60
Controle diretenpuissane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Anti-saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
III.4MPPT (Maximun Power Point Traking) . . . . . . . . . . . . . . . 65
III.4.1 Tehniquedugradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Avantagesetinonvénients : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
III.4.2 Tehniquedeperturbationparsinus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Appliation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Avantagesetinonvénients : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
III.4.3 Tehniqueduontroledepuissane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Avantagesetinonvénients : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
III.4.4 ConlusionssurlesMPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
