Commande crone appliquée à l'optimisation de la production d'une éolienne

255 Pages·2017·6.18 MB·French

by  Benjamin Feytout

N° d’ordre : 4946
THÈSE
PRÉSENTÉE À
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR
Par
Benjamin FEYTOUT
Ingénieur ENSEIRB-MATMÉCA
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : AUTOMATIQUE ET PRODUCTIQUE, SIGNAL ET IMAGE

COMMANDE CRONE APPLIQUÉE À L'OPTIMISATION DE LA
PRODUCTION D'UNE ÉOLIENNE
Soutenue le 11 Décembre 2013
Après avis de : MM Haritza CAMBLONG
Xavier GUILLAUD
Devant la commission d’examen formée de :
MM. Haritza CAMBLONG Professeur, Université du Pays Basque, San Sebastián Rapporteur
Xavier GUILLAUD Professeur, École Centrale de Lille Rapporteur
Ali KHENCHAF Professeur, ENSTA Bretagne, Brest Président du Jury
Ruddy BLONBOU Maître de Conférences, UAG Examinateur
Xavier ROBOAM Directeur de Recherche CNRS – LAPLACE Toulouse Examinateur
Alain OUSTALOUP Professeur, IPB Invité
Jocelyn SABATIER Professeur, IUT de Bordeaux Directeur de thèse
Patrick LANUSSE Maître de Conférences, IPB Co-directeur de thèse
Serge GRACIA Directeur Industriel VALEOL Encadrant industriel

Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système – UMR 5218 CNRS, Département LAPS
Université Bordeaux 1 – Institut Polytechnique de Bordeaux (IPB)
351 cours de la Libération-33405 TALENCE cedex- France
– 2013 –
CONFIDENTIEL VALEOL
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EMERCIEMENTS

Ce manuscrit est le fruit du travail d’un peu plus de trois ans au sein du Laboratoire de
l’Intégration du Matériau au Système et de VALEOL, dans le cadre d’une thèse CIFRE. Les
contributions apportées sont certes scientifiques mais également humaines au quotidien par
beaucoup de personnes de près ou de loin (voire très loin).

Je remercie tout d’abord mes directeurs de thèse Jocelyn SABATIER et Patrick
LANUSSE, à qui je témoigne une grande reconnaissance pour leur encadrement et leur
disponibilité à toute heure. Ils ont su me guider pour mener à bien ces travaux et me
transmettre une infime partie de leur savoir sur la commande CRONE et l’Automatique en
général.

Je tiens également à remercier sincèrement mon tuteur et responsable en entreprise, Serge
GRACIA, pour sa confiance et l’ensemble des valeurs tant professionnelles que personnelles
transmises durant ces années. Le secteur éolien (en ne se limitant qu’à ce domaine) n’a que
peu de secrets pour lui, mais ce fut et ce sera un plaisir de travailler à ses côtés pour les percer
à jour.

Mes remerciements s’adressent également aux rapporteurs et membres du jury , en
particulier Haritza CAMBLONG et Xavier GUILLAUD, pour leur regard critique et pertinent
sur mes travaux permettant l’amélioration de ce mémoire, Ali KHENCHAF qui m’a fait
l’honneur de présider le jury, à Xavier ROBOAM et Ruddy BLONBOU pour l’attention
portée à cette étude.

J’ai partagé plus de trois ans, au laboratoire IMS le quotidien de l’équipe CRONE dirigée
par M. Alain OUSTALOUP, qui par son enthousiasme et son amour des Sciences, a donné
une dimension unique à ma thèse. Je le remercie, ainsi que l’ensemble de l’équipe des
permanents : Pierre, Xavier, Rachid, Christophe, André et Stéphane, pour leurs contributions
tant humaines que scientifiques, sans oublier la Team des doctorants à commencer par les co-
bureaux au fil du temps et des bâtiments : Lamine, Teuteu, Mathieu C., Huy Cuong, Antoine ;
ainsi que Mathieu P., Asma, Nico, Firas, Elena, Sergueï, Junior, Audrèy, et Aurore. Je ne
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compte plus les délires et autres fous rires : continuez de cultiver cet esprit convivial qui n’a
jamais fait défaut et qui me manque déjà ! Un grand merci également à Mariely et Antoine
pour leur précieuse contribution sur ces travaux, avec lesquels j’ai longuement échangé et qui
m’ont éclairé par leurs études et remarques sur certains domaines. Je n’oublie pas Zoé,
Mickaël, Fred, Guillaume et Hector que je remercie pour les cafés partagés ou les
indispensables parties de squash ; et bien sûr l’ensemble du personnel du laboratoire.

Je continue en remerciant mes collègues : Bastien qui me supporte depuis les débuts de
l’aventure VALEOL, Nicolas toujours de bonne humeur, Xin à qui je souhaite la même
réussite que moi, Karine et ses essais culinaires, Mélina et Valérie. Je remercie également
l’ensemble des personnes du groupe VALOREM avec qui j’ai pu travailler et/ou échanger
tout au long de ces trois ans, et en particulier les gars de VALEMO pour les bons moments
passés sur site.

De part leur présence importante et indispensable, je remercie également mes proches à
commencer par mes parents, mon frère, ma sœur et ma belle-sœur pour leur soutien et leurs
encouragements. J’ai enfin une réponse à leur donner à la question récurrente « Et ta thèse, ça
se finit bientôt ? ». Mes remerciements à l’ensemble de mes amis (tous les citer serait un
exercice trop long mais je n’oublie personne, amis d’enfance, du lycée, de l’Enseirb, les
Kikis), avec une pensée très particulière et forte pour Nicolas G., Ami et Binôme
Génialissime des années Enseirb.

Pour terminer, je remercie Estelle pour m’avoir encouragé et supporté durant ces années ;
elle a fait preuve de patience et de compréhension comme personne et j’espère pouvoir faire
de même un jour pour elle. Ce travail n’aurait jamais pu aboutir sans toute son énergie pour
me motiver dans la dernière ligne droite.

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ABLES DES MATIÈRES
Remerciements ........................................................................................................................... 5

Tables des matières .................................................................................................................... 9
Tables des Figures .................................................................................................................... 13
Liste des Tableaux .................................................................................................................... 21

Introduction générale ................................................................................................................ 23
Contexte - la filière éolienne en 2013 .................................................................................. 24
VALOREM, acteur indépendant et novateur ....................................................................... 25
Contributions et organisation de la thèse ............................................................................. 33

Chapitre 1 - Introduction – La filière éolienne en 2013 ........................................................... 35
1.1 Introduction aux éoliennes en 2013................................................................................ 36
1.2 Modélisations et simulations d’éoliennes ...................................................................... 38
1.3 Vision d’ensemble sur la problématique des charges structurelles sur une éolienne. .... 40
1.4 État de l’art des solutions contre le givre ....................................................................... 44
1.5 Conclusion ...................................................................................................................... 49

Chapitre 2 - Modélisation d’une éolienne et synthèse d’un régulateur CRONE ..................... 51
2.1 Introduction .................................................................................................................... 55
2.2 Loi de commande robuste d’ordre non entier pour les systèmes scalaires .................... 57
2.3 Stratégies CRONE de première génération .................................................................... 58
2.3.1 Principe ....................................................................................................................... 58
2.3.2 Commande CRONE de première génération et régulateur PID ................................. 60
2.4 Stratégie CRONE de deuxième et troisième générations ............................................... 65
2.4.1 Stratégie CRONE de deuxième génération ................................................................. 68
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2.4.2 Stratégie CRONE de troisième génération ................................................................. 71
2.4.3 Le gabarit généralisé ................................................................................................... 73
2.4.4 Boucle ouverte fractionnaire incluant le gabarit généralisé ........................................ 74
2.4.5 Le gabarit généralisé optimal ...................................................................................... 75
2.4.6 Gabarit curviligne ....................................................................................................... 78
2.5 Modélisation et commande CRONE d’une éolienne à vitesse variable intégrant un
variateur mécanique ................................................................................................................. 80
2.5.1 Description du système ............................................................................................... 80
2.5.2 Modélisation du système ............................................................................................. 83
2.5.3 Linéarisation du modèle .............................................................................................. 86
2.5.4 Spécifications .............................................................................................................. 91
2.5.5 Synthèse de la loi de commande ................................................................................. 91
2.5.6 Résultats de simulation ............................................................................................... 94
2.5.7 Application au cas réel : simulation avec vent réel. .................................................... 96
2.6 Conclusions .................................................................................................................... 99

Chapitre 3 - Vers une automatisation de l’optimisation de régulateurs CRONE et application à
la commande d’une éolienne .................................................................................................. 101
3.1 Introduction .................................................................................................................. 103
3.2 Utilisation du critère initial sur un exemple académique ............................................. 104
3.3 Nouveaux critères d’optimisation ................................................................................ 107
3.4 Conclusions .................................................................................................................. 126

Chapitre 4 - Synthèse de régulateurs pour la réduction des vibrations structurelles d’une
éolienne. ................................................................................................................................. 127
4.1 Problématique ............................................................................................................... 130
4.2 Sollicitations des modes souples .................................................................................. 130
4.3 Méthode de contrôle ..................................................................................................... 137
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