Modélisation et commande d’un système de type KITE sous-marin pour la conversion d’énergie marine

(fre) A l’heure où l’utilisation des énergies fossiles est de plus en plus contestée, il devient indispensable d’étudier les possibilités offertes par les énergies renouvelables. Dans ce travail de fin d’études, nous nous concentrons sur le cas particulier de la production d’énergie électrique à partir de l’énergie contenue dans la mer, aussi appelé énergie marine et plus particulièrement sur un système innovant et prometteur : la technologie du Kite sous-marin. Cette technologie est développée par l’entreprise Minesto via son modèle Deep Green 500 et est également étudiée au sein du projet européen PowerKite. La technologie du Kite sous-marin ou « cerf-volant hydrolien » consiste en une turbine attachée via une nacelle à une aile marine. Le mouvement des courants au travers de l’aile marine crée une portance qui pousse le Kite sous-marin vers la surface ou le fond marin. En combinant un contrôle de la tension exercée dans le câble de rétention avec un contrôle de la trajectoire via un gouvernail, le Kite sous-marin peut suivre une trajectoire prédéfinie permettant la récupération maximale d’énergie : celle d’un chiffre huit. Une fois l’énergie mécanique convertie en électricité par un alternateur incorporé dans la nacelle, l’énergie électrique est transmise dans le câble de rétention puis finalement amenée vers le rivage ou une structure flottante via un câble sous-marin. Nous commençons par analyser les principaux convertisseurs d’énergie marine existants. Nous listons leurs avantages et leurs inconvénients pour finalement les comparer sur 4 critères : le niveau de maturité, le potentiel énergétique, le niveau de qualité de l’énergie produite et l’impact environnemental. Nous poursuivons sur le même schéma par une comparaison des principaux types d’hydroliennes. Nous terminons en expliquant pourquoi nous jugeons la technologie du Kite sous-marin la plus pertinente et prometteuse. Après analyse de ces différentes technologies, nous nous focalisons sur la modélisation du Deep Green 500 de Minesto. Nous démarrons par une analyse mécanique de la conversion de l’énergie contenue dans le courant marin vers un couple mécanique produit par la turbine. Une fois ce couple transféré en un couple électromécanique, nous analysons chaque élément de la chaîne de conversion d’énergie individuellement : machine synchrone, convertisseur, bus continu et transformateur. Nous poursuivons par une modélisation d’un filtre LCL en sortie de convertisseur. Nous terminons par une analyse de différentes possibilités pour l’injection de cette énergie vers le réseau électrique. Finalement, nous commandons et régulons le Deep Green 500 via cinq variables d’état électriques critiques. Pour chacune de ces variables, nous développons un correcteur approprié et vérifions ses bonnes caractéristiques. Cette commande et régulation nous permettent de nous assurer que toute l’énergie produite par l’alternateur du Deep Green soit correctement transmise au réseau. Nous poursuivons une fois notre modèle finalisé par quelques simulations en régime nominal et en régime sinusoïdal. Nous concluons ce travail de fin d’études en évoquant certaines questions de qualité d’énergie.

(eng) At a time when the use of fossil fuels is increasingly contested, it is becoming essential to study the possibilities offered by renewable energies. In this master’s thesis, we focus on the particular case of the supply of electric energy from the energy contained in the sea, also called marine energy and more particularly on an innovative and promising system : the technology of the underwater kite. This technology is developed by Minesto via its Deep Green 500 model and is also being studied within the European PowerKite project. Underwater kite technology consists of a turbine attached via a nacelle to a marine wing. The movement of the currents through the marine wing creates a lift that pushes the kite towards the surface or the seabed. By combining a control of the tension exerted in the struts with a control of the path via a rudder, the underwater kite can follow a predefined trajectory allowing the maximum recovery of energy : that of a figure eight. Once the mechanical energy is converted into electricity by an alternator incorporated into the nacelle, the electrical energy is transmitted into the struts and finally brought to the shore or to a floating structure via a submarine cable. We start by analyzing the main existing marine energy converters. We list their advantages and disadvantages and finally compare them on 4 criteria : the level of maturity, the energy potential, the level of quality of the energy produced and the environmental impact. We continue on the same pattern by comparing the main types of tidal power technology. Finally, we explain why we consider the underwater kite technology the most relevant and promising. After analyzing these different technologies, we focus on the modeling of Minesto’s Deep Green 500. We start with a mechanical analysis of the conversion of the energy contained in the marine current to a mechanical torque produced by the turbine. Once this torque has been transferred into an electromechanical torque, we analyse each individual element of the energy conversion chain : synchronous motor, converter, DC bus and transformer. We then model a filter LCL at the converter output. We end with an analysis of different possibilities for the injection of this energy into the electrical grid. Finally, we control and regulate the Deep Green 500 by controlling five critical electrical state variables. For each of these variables, we develop an appropriate controller and check its good characteristics. This control and regulation allows us to ensure that all the energy produced by the Deep Green alternator is correctly transmitted to the grid. Once our model is finalized, we run a few simulations in rated and sinusoidal regime. We conclude this master’s thesis by discussing some power quality issues.