Contribution à la modélisation et à la conception optimale de génératrices à aimants permanents pour hydroliennes

Modeling and optimal design of permanent-magnet generators for marine tidal current turbines

• Auteur / Autrice : Sofiane Djebarri
• Direction : Mohamed Benbouzid, Jean-Frédéric Charpentier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 06/03/2015
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes - Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest)
• Jury : Président / Présidente : Seddik Bacha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Benbouzid, Jean-Frédéric Charpentier, Seddik Bacha, Gérard Meunier, Claude Marchand, Mohammed El-Hadi Zaïm, Mohand Hamiti, Franck Scuiller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Meunier, Claude Marchand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Machines synchrones

Hydroliennes

Mots clés libres

Conception optimale

Machines à aimants permanents

Machines à flux axial

Modélisation électromagnétique

Modélisation thermique

Modèles analytiques inverses

Énergie des courants de marées

Hydroliennes

Association machine/hélice

POD

Rim-Driven

Entraînement direct

Turbines à pas fixe

Entraînements à vitesse variable

Limitation de puissance par défluxage

Optimal design

Permanent magnet generators

Axial flux machines

Electromagnetic models

Analytical models

Thermal modeling

Tidal energy

Marine current turbines

Generator/turbine association

POD

Rim-Driven

Direct-drive

Fixed-pitch turbines

Variable speed drive

Flux-weakening

Power leveling

Résumé

L'amélioration des performances des chaînes de conversion dédiées à la récupération d'énergie par les hydroliennes est un point particulièrement important pour rendre cette ressource économiquement attractive. La minimisation du coût de l'énergie produite passe nécessairement par une amélioration des performances de la chaîne de conversion électromécanique et une réduction des coûts de maintenance et de production des éléments la constituant. Dans ce contexte particulier, les génératrices à aimants permanents apparaissent particulièrement intéressantes dans la mesure où elles sont bien adaptées à un fonctionnement à basse vitesse et à fort couple. Ceci permet d'éliminer des systèmes mécaniques très complexes, encombrants et exigeants en maintenance, tels que le multiplicateur de vitesse et/ou le système d'orientation des pales. L'objectif de cette thèse est d’explorer un certain nombre de pistes concernant les outils, les concepts et les règles de conception à mettre en oeuvre pour dimensionner une génératrice associée en entraînement direct à une turbine hydrolienne à pas fixe. Les outils mis au point dans ces travaux englobent des modèles multi-physiques intégrés dans une démarche de conception qui se veut la plus globale possible. Cette méthodologie tient compte de la caractéristique de la ressource (courants de marées), de celle de la turbine (hélice), des spécifications de la génératrice à aimants permanents, de la mise en oeuvre d’une stratégie de pilotage associant MPPT et limitation de puissance par défluxage à fort courants de marées, en plus des contraintes liées au convertisseur. L'environnement de conception développé est basé sur un couplage des modèles dans une procédure d'optimisation. Les résultats obtenus mettent en lumière les points clés associés au développement d’une telle génératrice pour un contexte hydrolien.

The improvements of marine current turbines drive train are key features to ensure safe operation and to make tidal energy resource cost-attractive. In this context, eliminating mechanical systems that demand high-level of maintenance can be an interesting way to improve the global behavior of tidal turbines. For that purposes, the presented studies focus on design methodologies and concepts of direct-driven generators associated with fixed-pitch turbines. The proposed designs are based on multiphysics models of the generator that are integrated in an optimization process taking into account the drive train environment. For these reasons, several models have been integrated into a global design strategy in order to find solutions that improve marine current turbines performances. This strategy is based on the use of an optimization process that combines electromagnetic model, thermal model, turbine performances model, and tidal resource velocity profile. This methodology integrates also an efficient control strategy based on a maximum power point tracking (MPPT) approach at low tidal speed and a flux-weakening power limitation control at high tidal speed. This control at high tidal velocities is in this work achieved by considering only the generator electrical control without using blade pitching systems. The obtained results highlight trends that could lead to an improvement of the design and they help designers to set relevant technological choices in order to ensure significant cost reduction and highly improve the reliability of marine current turbines.