Commandes non linéaires robustes et adaptatives des éoliennes flottantes

Robust nonlinear adaptative control of floating wind turbine

• Auteur / Autrice : Hedi Basbas
• Direction : Salah Laghrouche, Mickaël Hilairet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Énergie
• Jury : Président / Présidente : Patrice Wira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salah Laghrouche, Mohamed Djemai, Franck Plestan, Mickael Hilairet, Romain Delpoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Djemai, Romain Delpoux

Mots clés

Mots clés libres

Eoliennes flottantes

Modélisation

Commandes robustes/adaptatives

Temps-réel

Control-oriented model

Floating offshore wind turbine

Nonlinear control

Adaptive control

Résumé

L’industrie éolienne, ayant optimisé les technologies terrestres, se tourne vers les vents marins qui offrent plus de vitesse et moins de turbulence. Les éoliennes flottantes (EF), souvent ancrées dans des eaux de plus de 30 m de profondeur, reposent sur des bases flottantes pour des raisons de coût. Ces plateformes sont confrontées à des défis liés aux perturbations et dynamiques complexes dues à l'interaction entre vents et vagues. Ainsi, la conception de systèmes de contrôle adaptatifs et robustes est indispensable pour gérer ces défis spécifiques aux éoliennes flottantes. Ce travail de thèse vise à atteindre trois objectifs majeurs. En premier lieu, il a pour but d'élaborer un modèle non linéaire pour les éoliennes flottantes, plus précisément un modèle orienté commande, qui est essentiel pour la mise au point de systèmes de commande efficaces. Le deuxième objectif se focalise sur la synthèse de lois de commande stables, robustes et adaptatives, élaborées en se basant sur le modèle non linéaire précédemment développé. Enfin, le troisième objectif concerne la création d’une plateforme HIL spécifique aux éoliennes flottantes, conçue pour tester et valider les lois de commande en temps réel. Ainsi, nous avons développé un modèle non linéaire entièrement analytique, essentiel à la synthèse de commandes non linéaires, marquant une contribution significative de cette thèse. Utilisant ce modèle, divers contrôleurs par mode glissant à gains fixes ont été élaborés pour la région 3 de fonctionnement, où la vitesse du vent est assez élevée pour permettre à la génératrice d'atteindre sa vitesse nominale. Dans ce contexte, les contrôleurs sont conçus pour ajuster l'angle des pales afin d'assurer la stabilité de la plateforme, en particulier l'angle de tangage, et pour maximiser la production d'électricité. Ils maintiennent également la vitesse de la génératrice au niveau nominal avec une oscillation minimale, réduisant ainsi la fatigue de la structure, des pales et des lignes caténaires. Ces travaux ont démontré les performances et la capacité des commandes par mode glissant à gains fixes pour les EF à travers une comparaison avec un contrôleur de référence dans la littérature. C’est pourquoi, dans un second temps, plusieurs commandes par mode glissant adaptatives ont été mises en oeuvre afin d'outrepasser les performances du contrôleur de référence. Finalement, le principal défi de cette thèse a été l’émulation en temps réel du simulateur haute-fidélité OpenFAST pour les EF sur une carte de développement. Le document décrit minutieusement le processus d'émulation sur une carte compactRIO de National Instruments. Il guide le lecteur depuis la phase de sélection des cartes, en traversant les étapes complexes de compilation et de modification des codes informatiques, jusqu'à l'achèvement de la plateforme Hardware-In-the-Loop.

Having optimized terrestrial technologies, the wind industry is now turning to marine winds, which offer greater speed and less turbulence. Floating wind turbines (FWTs), often anchored in waters over 30 m deep, rely on floating bases for cost reasons. These platforms face challenges related to the complex disturbances and dynamics caused by the interaction between wind and waves. Thus, the design of adaptive and robust control systems is essential to manage these challenges specifically to floating wind turbines. This thesis aims to achieve three major objectives. Firstly, it aims to develop a nonlinear model for floating wind turbines, specifically control-oriented model, which is essential for the development of efficient control systems. The second objective focuses on the synthesis of stable, robust and adaptive control laws, based on the previously developed nonlinear model. Finally, the third objective concerns the creation of a HIL platform specific to floating wind turbines, designed to test and validate the control laws in real time. In this way, we have developed a fully analytical nonlinear model, essential for the synthesis of nonlinear controls, marking a significant contribution of this thesis. Using this model, various fixed gain sliding-mode controllers were developed for operating region 3, where the wind speed is high enough to allow the generator to reach its rated speed. In this context, the controllers are designed to adjust the blade angle to ensure platform stability, in particular the pitch angle, and to maximize electricity production. They also maintain generator speed at nominal levels with minimal oscillations, thus reducing fatigue on the structure, blades and catenary lines. This work demonstrated the performance and capability of fixed-gain sliding-mode controls for EFs through a comparison with a reference controller in the literature. Therefore, in a second step, several adaptive sliding mode controllers were implemented in order to outperform the reference controller. Finally, the main challenge of this thesis was the real-time emulation of the OpenFAST high-fidelity simulator for EFs on a development board. The paper describes in detail the emulation process on a National Instruments compactRIO board. It guides the reader from the board selection phase, through the complex stages of compiling and modifying computer code, to the completion of the hardware-in-the-loop platform.