Études numériques et expérimentales de bobines supraconductrices HTC pour des applications en énergie électrique

Numerical and experimental studies of HTS coils for electric power applications

• Auteur / Autrice : Sara Fawaz
• Direction : Bruno Douine, Hocine Menana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 03/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Paladian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Douine, Hocine Menana, Benoît Vanderheyden, Abelin Simplice Kameni Ntichi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benoît Vanderheyden, Abelin Simplice Kameni Ntichi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse numérique

Volumes finis, Méthodes de

Modèles mathématiques

Propriétés électromagnétiques

Supraconducteurs

Supraconducteurs à hautes températures

Bobines d'induction

Mots clés libres

Bobines supraconductrices HTC

Caractérisation expérimentale

Modélisation électromagnétique

Méthodes intégrales de volume

HTS coils

Experimental characterization

Electromagnetic modeling

Volume integral methods

Résumé

Ce mémoire de thèse présente des travaux de recherche portant sur la caractérisation expérimentale et numérique de bobines à base de supraconducteurs à haute température critique (HTC) sous différentes configurations et à différents régimes d'alimentation, en vue de leur intégration dans les systèmes de puissance. Différentes structures de bobines supraconductrices HTC ont été réalisées en utilisant des rubans de première et deuxième génération. Une caractérisation expérimentale a été menée pour déterminer les paramètres globaux des bobines fabriquées tels que le courant critique en courant continu, les pertes dissipées et l'inductance en courant alternatif. Cette étude a mis en évidence les défis rencontrés lors de la fabrication et de la caractérisation de ces bobines. Parallèlement, des approches de modélisation ont été développées et combinées aux approches de caractérisation expérimentales. Une attention particulière a été accordée à l'utilisation des méthodes intégrales de volume, qui offrent de nombreux avantages pour la modélisation des bobines. Les approches développées ont été associées à des stratégies de modélisation visant à simplifier les calculs et à réduire le temps nécessaire, tout en maintenant une bonne précision. L'association de la modélisation et des mesures a permis une caractérisation plus réaliste, exploitant des grandeurs globales et locales.

This thesis presents research work on the experimental and numerical characterization of high-temperature superconductors (HTS) based coils under different configurations and operating conditions, aiming at their integration into power systems. Different structures of HTS coils were fabricated using first and second generation tapes. An experimental characterization was conducted to determine the global parameters of the fabricated coils, such as the critical current in DC mode, the dissipated losses and inductance in AC mode. This study highlighted the challenges encountered in manufacturing and characterizing these coils. In parallel, modeling approaches were developed and combined with experimental characterization approaches. Particular attention was given to the use of volume integral methods, which offer numerous advantages for coil modeling. The developed approaches were combined with modeling strategies aimed at simplifying calculations and reducing the time required, while maintaining good accuracy. The combination of modeling and measurements has enabled more realistic characterization, exploiting both global and local quantities.