Analyse modale opérationnelle pour le suivi de santé structurelle des éoliennes

Operational Modal Analysis (OMA) for wind turbines health monitoring

• Auteur / Autrice : Ambroise Cadoret
• Direction : Laurent Mevel, Jean-Marc Leroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, vision
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Rennes, Bretagne-Atlantique)
• Jury : Président / Présidente : Julien Waeytens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Enora Denimal, Qinghua Zhang, Ilyes Khelf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joseph Morlier, Roger Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes des sous-espaces

Vibrations

Éoliennes

Analyse modale (ingénierie)

Mots clés libres

Vibrations et analyse modale

Méthodes Sous-Espaces

Détection de défaut

Éoliennes

Vibration and modal analysis

Subspace methods

Damage detection

Wind turbines

Résumé

Dans cette thèse, l’objectif est de surveiller une éolienne sans avoir à l’arrêter ni à interférer avec son fonctionnement. Ainsi, le problème de la surveillance des éoliennes par analyse modale opérationnelle est traité. Le défi principal provient du fait qu’une éolienne en rotation entraîne un caractère périodique au système, ce qui empêche l’utilisation des méthodes d’identification des modes propres définie pour des structures temporellement invariantes telles que celles de génie civil. Pour permettre l’identification des modes propres des systèmes périodiques, une étude de la dynamique des éoliennes en rotation est réalisée. Ainsi, basée, sur cette étude, une approximation des modes propres des éoliennes en rotation est définie, où ces modes propres sont définis comme une somme de modes propres d’une structure invariante. Par la suite, il est démontré théoriquement que les méthodes d’identification sous espaces existantes peuvent identifier correctement l’approximation définie précédemment. Puis validé avec différents exemples d’identifications utilisant des données simulées à partir de modèles d’éoliennes. Pour conclure le travail, la détection de défaut du rotor est traitée, en utilisant des mesures du rotor ou bien de la tour. Pour ces deux cas, les paramètres obtenus par identification les plus sensibles aux défauts sont recherchés et utilisés pour adapter une méthode de détection de défaut de l’état de l’art. Pour les deux situations, il a été possible de détecter une baisse de raideur d’une pale et de déterminer la pale endommagée lorsque des mesures du rotor sont utilisées.

In this thesis, the objective is to monitor the wind turbine without stopping or interfering with its operation. So, the monitoring of operating wind turbines with Operational Modal Analysis is studied. The main challenge is the periodic behavior of a wind turbine, which prevent the use of the eigenmodes identification methods from the literature, defined for time invariant structures such as civil engineering ones. To enable the identification of the periodic system eigenmodes, a study of the dynamical behavior of the rotating wind turbine is carried on. Thus, an approximation of the rotating wind turbine eigenmodes is defined, where those eigenmodes are expressed as a sum of invariant system eigenmodes. Afterward, it is theoretically demonstrated that the existing subspace identification methods can correctly identify the previously defined approximation. Then, it is validated with different examples of identification using data computed with wind turbine models. To complete the work, damage detection of the rotor of a wind turbine is treated using rotor or tower measurements. For both cases, the most damage sensitive parameters obtained from the identification are searched and used to adapt a damage detection method from the state-of-the-art. In both configurations, it has been possible to detect a stiffness loss of one blade and asses the damaged blade when rotor measurements are used.