[PDF] Contrôle collaboratif dune ferme de génératrices houlomotrices

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THESE DE DOCTORAT DE

L'ÉCOLE CENTRALE DE NANTES

COMUE UNIVERSITE BRETAGNE LOIRE

ECOLE DOCTORALE N° 602

Sciences pour l'Ingénieur

Spécialité : Mécanique des milieux fluides Par Simon Chesné Maître de conférences HDR, INSA de Lyon Philippe Sergent Directeur scientifique HDR, CEREMA, Margny Les Compiègne

Présidente

Sandrine Aubrun-Sanches Professeur des universités, École Centrale de Nantes Simon Chesné Maître de conférences HDR, INSA de Lyon Philippe Sergent Directeur scientifique HDR, CEREMA, Margny Les Compiègne Olivier Doaré Professeur des universités, ENSTA ParisTech, Palaiseau

Directeur de thèse

Alain H. Clément Ingénieur de recherche HDR, École Centrale de Nantes

Co-encadrant de thèse

Jean-Christophe Gilloteaux Ingénieur de recherche, École Centrale de Nantes

Contrôle collaboratif d"une ferme de

génératrices houlomotricesPaul-Emile Meunier Laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Énergétique et

Environnement Atmosphérique

Le présent manuscrit est soumis pour l"obtention du diplome de Docteur de l"Ecole Centrale de NantesCentrale Nantes 2018
ii

Table des matières

Table des matières

iii

Table des figures

vii

Liste des tableaux

xvii

Liste des symboles

xxii

1 Introduction

1

1.1 Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2.1 Production énergétique mondiale . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2.2 La place de l"énergie houlomotrice . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.3 Défis technologiques et scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.4 Les concepts de machine houlomotrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.5 Contrôle des point absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.5.1 Power take-off et conversion d"énergie . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.5.2 Nécessité des méthodes de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.5.3 Méthodes de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.5.3.1 Formes de contrôle résistif . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.5.3.2 Formes de contrôle réactif . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.5.3.3 Contrôle adaptatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.5.3.4 Contrôle de ferme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.6 Les modèles d"interaction vague structure . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.6.1 Présentation des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.6.2 Application au contrôle de ferme . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.7 Méthodes de prévisions de la force d"excitation . . . . . . . . . . . . . . .

29

1.8 Objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

2 Mise en place du simulateur de ferme houlomotrice

33

2.1 Théorie linéarisée des écoulements à potentiel . . . . . . . . . . . . . . .

34

2.1.1 Problème aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

2.1.2 Expression des efforts linéaires à partir du potentiel . . . . . . . .

36

2.2 Résolution du problème aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

2.2.1 Méthode BEM - Code NEMOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

ivTable des matières2.2.2 Méthode semi-analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

2.2.3 Comparaison des coefficients hydrodynamiques . . . . . . . . . . .

40

2.3 Résolution dans le domaine temporel : équation de Cummins . . . . . . .

42

2.4 Représentation d"état . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.5 Identification de la radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

2.5.1 Identification en système SISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.5.2 Identification en système MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.5.3 Passivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

2.6 Caractéristiques du simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

2.6.1 Calcul et mise en forme des coefficients hydrodynamiques . . . . .

52

2.6.2 Pré-processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

2.6.3 Intégration numérique et contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

2.6.4 Dynamique transitoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

2.6.5 Vérifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

2.6.5.1 Vérification de la phase et de l"amplitude en houle poly-

chromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.6.5.2 Vérification de la réponse en amplitude . . . . . . . . . .

63

3 Théorie et analyse du contrôle collaboratif

65

3.1 Méthode de contrôle collaboratif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

3.1.1 Géométrie utilisée au cours de l"étude . . . . . . . . . . . . . . . .

67

3.1.2 Théorie du contrôle optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

3.1.2.1 Expression du contrôle optimal sans contrainte pour un

corps isolé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.1.2.2 Expression du contrôle optimal d"un groupe de N corps .

71

3.1.3 Contrôleur optimal en domaine temporel . . . . . . . . . . . . . .

73

3.1.4 Non causalité du contrôleur optimal . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

3.1.5 Fenêtrage du contrôleur optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

3.1.5.1 Pulsation de coupure basse fréquence . . . . . . . . . . .

81

3.1.5.2 Pulsation de coupure haute fréquence . . . . . . . . . . .

82

3.1.5.3 Intersection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

3.1.5.4 Rendement du contrôleur optimal fenêtré . . . . . . . .

84

3.1.6 Fonction de transfert des vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

3.1.6.1 Fonction de transfert sans PTO . . . . . . . . . . . . . .

86

3.1.6.2 Fonction de transfert avec contrôleur optimal . . . . . .

92

3.1.7 Prévision de la vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

3.1.8 Forme pseudo causale du contrôleur . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

Table des matièresv3.1.9 Premières vérifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102

3.1.10 Remarques sur la discrétisation des coefficients hydrodynamiques

104

3.2 Étude de sensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 05

3.2.1 Plan d"expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

3.2.2 Coefficient d"optimalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

107

3.2.3 Analyse de la stabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108

3.2.4 Raffinement de l"étude pour les corps proches . . . . . . . . . . .

111

3.2.5 Identification et analyse des paramètres optimaux . . . . . . . . .

112

3.2.6 Points de fonctionnement réalistes . . . . . . . . . . . . . . . . . .

115

3.2.7 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117

4 Analyse des résultats numériques

121

4.1 Discrétisation fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

122

4.1.1 Corps libres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

123

4.1.2 Corps contrôlés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

126

4.2 Discrétisation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 28

4.2.1 Corps libres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

128

4.2.2 Stratégie de contrôle collaboratif . . . . . . . . . . . . . . . . . .

131

4.3 Validation de la stratégie de contrôle pour un groupe de deux corps . . .

132

4.3.1 Prévision de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

132

4.3.2 Conditions d"optimalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

134

4.4 Validation de la stratégie de contrôle avec les coefficients hydrodyna-

miques issus de méthode BEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.5 Impact du déplacement moyen en cavalement sur la méthode . . . . . . .

143

4.6 Orientation et étalement directionnel de la houle . . . . . . . . . . . . . .

147

4.6.1 Erreur de mesure de l"orientation de la houle . . . . . . . . . . . .

147

4.6.2 Étalement spectral directionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

151

4.7 Application à une ferme complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

154

4.7.1 Impact du contrôleur sur le facteur d"interaction . . . . . . . . . .

154

4.7.1.1 PTO passif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

156

4.7.1.2 Contrôle optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

158

4.7.2 Simulation d"une ferme de 10 machines . . . . . . . . . . . . . . .

159

4.7.2.1 Impact du fenêtrage sur la récupération . . . . . . . . .

161

4.7.2.2 Résultats en domaine temporel . . . . . . . . . . . . . .

163
viTable des matières5 Conclusions et perspectives169

5.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 69

5.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

171

Bibliographie

175
A Correction des fréquences irrégulières de NEMOH 185

B Paramètres du simulateur

189
B.1 Paramètres de la classe ferme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B.2 Paramètres de la classe simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

C Résultats de l"étude de sensibilité

193
C.1 Étude de sensibilité générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
C.2 Étude de sensibilité des corps proches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

D Étude de convergence en maillage

203

E Spectre directionnel de houle

205

Table des figures

1.1 Production d"électricité mondiale de 1971 à 2015 en TWh. La ressource

" Renouvelable non-hydro » inclue la géothermie, le solaire, l"éolien, les énergies marines, les biocarburants, et l"incinération des déchets (Central

Statistics Office [

21
4

1.2 Coût actualisé de l"énergie (LCOE) par technologie de production d"éner-

gie renouvelable, pour l"année 2010 et 2017. Le diamètre de chaque cercle représente la taille de chaque projet et son centre le coût du projet. Les lignes épaisses représentent le LCOE moyen et pondéré des centrales misent en service pour chaque année (International Renewable Energy

Agency [

78
5

1.3 Extrait de la planche accompagnant le brevet de 1799 publié par Girard

père et fils [ 70
6

1.4 Schéma représentatif de la bouée sifflante de Courtenay (à gauche), et

cliché d"un dérivé de cette machine à Point Fermin, San Pedro, réalisé en

1890 (à droite) (California Historical Society Collection). . . . . . . . . .

7

1.5 Design du Salter"s Duck présenté dans [

80
7

1.6 Atténuateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.7 Flotteur en rotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.8 Système à colonne d"eau oscillante (OWC). . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

1.9 Centrale à déferlement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

1.10 Point absorber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.11 Schéma représentatif d"un power take-off sur un point absorber pilonnant.

14

1.12 Comparaison des méthodes de calcul d"interaction vague structure. . . .

28

2.1 Schéma représentatif d"un corps flottant dans un volume fluide pour la

démonstration de la théorie des écoulements potentiels. . . . . . . . . . . 34

2.2 Maillage du cylindre vertical utilisé pour illustrer la méthode de contrôle

collaboratif. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.3 Étude de convergence des coefficients hydrodynamiques issus de la mé-

thode analytique pour un cylindre isolé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.4 Comparaison des coefficients hydrodynamiques issus du code NEMOH et

de la méthode analytique pour une géométrie cylindrique. . . . . . . . . . 41

2.5 Identification du noyau de radiation pour 3 cylindres proches et de tailles

différentes en utilisant " Vectfit3 » avec30pôles. . . . . . . . . . . . . . .46 viiiTable des figures2.6 Comparaison de l"amplitude de la radiation pour un groupe de deux cy- lindres séparés d"une distanced={50m,200m,1000m}. . . . . . . . . .47

2.7 Exemple de non-passivité pour l"identification du terme d"amortissement

hydrodynamique pour des cylindres espacés ded= 200met en utilisant

35pôles pour l"identification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

2.8 Résultats de vitesse en domaine temporelVsim, et théorique calculé en

fréquentielVthpour deux cylindres libres espacés ded= 200men utilisant l"identification de la radiation. Les résultats sont obtenus pour une houle monochromatique de pulsationω= 2.17rad/scorrespondant au point le plus extrême de non passivité présenté dans la figure 2.7 50

2.9 Diagramme représentatif du calcul et de la mise en forme des coefficients

hydrodynamiques pour le simulateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.10 Diagramme représentatif du chargement des données et des calculs pré-

processeur du simulateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.11 Diagramme représentatif de la boucle d"intégration et de contrôle du si-

mulateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.12 Dynamique transitoire pour un groupe de deux cylindres libres, séparés

d"une distanced= 200m, dans une houle polychromatiqueHs= 2met T p= 6s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

2.13 Dynamique transitoire pour un groupe de deux cylindres libres, séparés

d"une distanced= 200m, dans une houle polychromatiqueHs= 2met T p= 9s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

2.14 Schéma du groupe de4cylindres utilisé pour la vérification du simulateur.60

2.15 Comparaison avec les résultats théoriques de la vitesse des corps du groupe

de 4 cylindres libres pilonnant présenté dans la figure 2.14 , dans une houle polychromatique avec un état de merHs= 2m Tp= 6s. . . . . . . . . . .62

2.16 Comparaison avec les résultats théoriques de la vitesse des corps du groupe

de 4 cylindres libres pilonnant présenté dans la figurequotesdbs_dbs50.pdfusesText_50

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