Modélisation pour le pronostic et la maintenance des éoliennes

Prognosis and Maintenance Modelling for Wind Turbines

• Auteur / Autrice : Jinrui Ma
• Direction : Antoine Grall, Mitra Fouladirad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optimisation et Sûreté des Systèmes
• Date : Soutenance le 27/06/2019
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Organisme gouvernemental étranger : CSC (China Scholarship Council)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Etienne Labeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mitra Fouladirad, Pierre-Etienne Labeau, Christophe Berenguer, Jorn Vatn, Roman Sueur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Berenguer, Jorn Vatn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Processus stochastiques

Entretien

Vents -- Vitesse

Éoliennes

Mots clés libres

Éoliennes

Vents -- Vitesse

Entretien

Processus stochastiques

Durée de vie (ingénierie)

Wind turbines

Winds--speed

Maintenance

Stochastic processes

Service life (engineering)

Résumé

De plus en plus d'éoliennes sont exploitées pour produire de l'énergie électrique. Les éoliennes de grande taille fonctionnent de manière automatique dans des conditions environnementales souvent difficiles. Il en résulte des dégradations et des défaillances provoquant des arrêts indésirables. En conséquence, les recherches sur la fiabilité des éoliennes attirent beaucoup d'attention. Le principal composant étudié dans cette thèse est un composant crucial pour les éoliennes à vitesse variable : le système hydraulique d’orientation des pales. Trois sujets sont abordés : la modélisation de la détérioration du système hydraulique de contrôle de l’angle de tangage, l'estimation de sa durée de vie utile restante et une politique de maintenance. La principale contribution de la thèse est la prise en compte de l'influence de l’environnement caractérisé par la vitesse du vent. Un modèle continu à long terme d’évolution de la vitesse du vent est proposé. Un simulateur d'éolienne avec système hydraulique de contrôle de tangage se détériorant est établi pour effectuer les simulations numériques. Cette thèse illustre l’intérêt des processus stochastiques pour la modélisation dans le domaine de l'énergie éolienne. Le modèle de vitesse du vent s’appuie sur une chaîne de Markov à deux niveaux avec diffusion intégrée. Le processus de détérioration du système hydraulique de contrôle est modélisé par un processus gamma couplé à une chaîne de Markov. Sur cette base, la durée de vie et l'indisponibilité de l'éolienne sont modélisées, évaluées et utilisées pour l’aide à la décision de maintenance.

Nowadays, more and more wind turbines are erected on-shore or off-shore to generate electric energy from wind. Since the valuable big-size wind turbines automatically operate under harsh environment, undesirable downtime occurs from degradations and failures caused by the environment. Therefore, the research about the reliability of wind turbine attract a lot of attention. The main component studied in this thesis is the hydraulic pitch system. It is a crucial component for variable-speed wind turbines. Three subjects are addressed: the hydraulic pitch system deteriorating modeling, its remaining useful lifetime estimation, and its maintenance. The methods proposed are not only limited to the hydraulic pitch system, but also can be extended to the dynamic systems that operate under various environment. The main contribution of the thesis is that the influence of the environment (wind speed) is always taken into account. A continuous long-term wind speed model is proposed as a research byproduct. A wind turbine simulator is established to carry out the numerical simulations. It specifically includes a deteriorating model for hydraulic pitch system. This thesis highlights the relevance of stochastic processes in the field of wind energy modeling. The wind speed model is based on a two-level Markov chain with embedded diffusion processes. The deterioration process of hydraulic pitch system is modeled by a gamma process driven by a Markov chain. On these bases, the remaining useful life and the unavailability of wind turbine are discussed and used for maintenance decision-making.