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

By Sofiane Djebarri

Abstract

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 pitch- ing 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 en- sure significant cost reduction and highly improve the reliability of marine current turbines.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 œuvre 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 œuvre 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

Topics: Optimal design, permanent magnets 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, 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, entraînementsàvitessevariable, limitation de puissance, défluxage, [SPI.NRJ] Engineering Sciences [physics]/Electric power
Publisher: HAL CCSD
Year: 2015
OAI identifier: oai:HAL:tel-01279568v1
Provided by: Thèses en Ligne

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