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    Systèmes électriques : Contrôle – Commande

    La recherche dans le domaine du contrôle-commande, ou plus simplement de l’automatique, a été lancée à l’automne 2010 en parallèle de la création des deux nouvelles options, « Énergie » et « Robotique » à l’ISEN Brest. Cette activité s’est intégrée en synergie avec les autres savoir-faire du laboratoire de l’ISEN, en particulier autour des capteurs intelligents.
    La recherche en automatique fait d’abord  l’objet de travaux dans le domaine de l’amélioration du rendement d’un système de production d’énergie renouvelable éolien. Les résultats obtenus en théorie et en simulation ont abouti à des lois de commande robustes qui opèrent en régime variable —comme c’est nécessairement le cas en éolien— et sont compatibles avec toutes les stratégies existantes de poursuite du point de fonctionnement optimal.

    De plus ces lois de commande, bien qu’elles reposent sur des techniques avancées non-linéaires, n’ont que peu de paramètres de réglage, ce qui facilite leurs mises au point en pratique, même par des non-spécialistes. La poursuite de ce travail passe par une phase de validation expérimentale, d’abord sur bancs de tests de laboratoire avant de pouvoir essayer d’impliquer des industriels désireux de faire évoluer leur technologie de commande. Une suite logique de ce travail sera de transposer tous ces résultats au domaine des hydroliennes. L’enjeu économique est dans ce domaine crucial, et l’approche qui est développée au laboratoire peut y contribuer activement, car il n’existe pas à ce jour d’hydrolienne exploitée industriellement.
    Les autres aspects de l’automatique, en cours de développement au sein de l’équipe ESE, sont  les développements théoriques et expérimentaux de la commande sans modèle et des estimateurs algébriques qui leurs sont sous-jacents. Il n’existe jusqu’à présent pas de justification théorique du bon fonctionnement de la commande sans modèle malgré quelques réalisations pratiques et industrielles convaincantes. Des résultats préliminaires montrent qu’une preuve générale de stabilité et de robustesse de cette commande pour une classe suffisamment riche de systèmes devrait être trouvée dans un avenir proche. Ce résultat aurait pour effet de convaincre nombre d’automaticiens ou d’industriels réticents à ces techniques qui sont pourtant faciles à développer et même à enseigner. Un autre domaine où la commande sans modèle est encore balbutiante est le monde du multi variables.

    Nous allons, dans le domaine des systèmes électriques —machines électrotechniques et convertisseurs statiques de l’électronique de puissance— commencer à développer expérimentalement la commande sans modèle en privilégiant les systèmes multi-entrées, comme le sont les systèmes polyphasés, afin de contribuer au développement de la commande sans modèle. Conjointement à ce développement, nous allons développer le diagnostic et l’identification des systèmes électriques basés sur les estimateurs algébriques et le calcul opérationnel qui interviennent dans la commande sans modèle, et poursuivre, si possible, sur le développement de lois de commande en mode dégradé, opérant en cas de pannes ou défauts partiels. Ce projet comportera bien entendu des aspects de comparaison des nouvelles méthodes obtenues avec des méthodes classiques ou avec celles issues du traitement harmonique du signal.

    Systèmes électriques : Surveillance – diagnostic

    Pour répondre à de nouveaux enjeux écologiques, le réseau électrique a connu une profonde mutation ces dernières années. Cette mutation est essentiellement liée à deux facteurs : l’intégration de nouvelles sources d’énergies (éolien, photovoltaïque, hydrolien) et l’apparition de nouveaux usages électriques (véhicules électriques). En dépit de son intérêt écologique, cette mutation complexifie considérablement la gestion du réseau électrique. L’exploitation d’un réseau intégrant un fort taux d‘énergies renouvelables intermittentes (sources quasi non contrôlables, difficiles à prédire, pouvant avoir des impacts négatifs et des dysfonctionnements) nécessite de développer un réseau intelligent tant au niveau de l’architecture qu’au niveau du contrôle/commande et de la gestion du système électrique.

    Pour résoudre ce problème, une solution prometteuse repose sur l’intégration des technologies de l’information et de la communication. Ce réseau électrique intelligent, nommés sous l’anglicisme « smart grid », devra prochainement être capable de surveiller son installation, de détecter d’éventuelles anomalies et d’optimiser sa structure pour maintenir l’équilibre entre la production et la consommation d’énergie.

    Un pré requis essentiel au développement des smart grids réside dans l’élaboration d’algorithmes d’analyse spécifiquement dédiés aux signaux électriques. L’objectif de ces algorithmes est de fournir de l’information sur certaines grandeurs physiques du signal aux organes décisionnels du réseau. Au niveau du signal électrique, les grandeurs les plus intéressantes sont la fréquence fondamentale, le niveau des harmoniques et les paramètres de déséquilibre d’amplitude et de phase. Ces grandeurs permettent de prédire d’éventuels déséquilibres entre la consommation et la production d’énergie et de détecter (voir localiser) certaines défaillances/pannes. De plus, elles permettent de protéger les différents éléments du réseau électrique contre des sollicitations trop éprouvantes.
    Le principal objectif de notre projet de recherche réside dans le développement d’algorithmes permettant d’élaborer un diagnostic rapide et fiable de l’état du réseau électrique et de ses éléments. Plus précisément, le travail se décompose en deux axes :

    • Modélisation du signal électrique triphasé dans le cas idéal et en présence d’anomalies (déséquilibres consommation-production, présence de pannes de certains éléments, etc.).
    • Estimation des différentes grandeurs du réseau via des techniques d’analyse paramétrique.
      En plus de l’aspect purement scientifique, un des objectifs de ce projet de recherche est de mettre en place des prototypes « hardware » démontrant l’intérêt de ces algorithmes en vue d’une implantation industrielle.

    L’équipe ESE de l’ISEN Brest intègre des compétences, reconnues au niveau international, à la fois dans le domaine du génie électrique, du traitement du signal, du contrôle-commande et de l’électronique de puissance. Notre recherche repose sur l’expertise de l’équipe dans le domaine de la détection et le diagnostic de défauts dans les systèmes électriques.
    Les premiers travaux en relation avec cette thématique ont été présentés à la conférence internationale IEEE IEMDC 2013 ; IEEE IECON 2013 ;
    Ces travaux sont réalisés en relation avec le Laboratoire Brestois de Mécanique et des Systèmes (LBMS)

     

    L’ISEN Toulon a commencé à travailler sur le domaine de l’énergie à partir de fin 2013, avec la création du Domaine Professionnel Smart-Energie dans le cycle de spécialisation de l’ISEN.

    Cette activité de recherche sur la thématique de l’Energie s’articule autour de 2 axes majeurs : le premier axe concerne le réseau électrique de distribution, et plus exactement la prédiction des consommations électriques sur ce réseau de distribution ainsi que sur l’intégration et le support au réseau par les panneaux photovoltaïques. Le second axe de développement correspond à la thématique de l’« Energy harvesting » à partir de rayonnement Radio Fréquence pour alimenter des objets connectés à faible consommation.

     

    Réseaux électriques de distribution

    Les réseaux électriques sont entrés dans une phase de mutation et de rénovation qui vont leur permettre de devenir des réseaux électriques intelligents, dits Smart-Grids, répondant aux différentes problématiques suivantes : tout d’abord, le réseau électrique doit permettre de diminuer l’impact environnemental de la production, de la consommation et de l’acheminement de l’électricité. Ainsi, il doit permettre l’intégration des énergies renouvelables fluctuantes, telles que l’éolien et le photovoltaïque, tout en permettant au parc de véhicules électriques de se développer. Ensuite, par un réaménagement de ses infrastructures et par l’intégration de nouvelles technologies de communication, le réseau électrique est en train de se rénover et de devenir pilotable de plus en plus facilement (par un contrôle à distance facilité par des mesures de grandeurs électriques en certains points du réseau, par un contrôle plus facile des consommations via des applications domotiques, etc).

    Pour permettre la gestion de la fréquence et de la tension du réseau électrique de distribution, il est nécessaire de connaitre la consommation et la production électriques au niveau local afin d’en assurer l’équilibre. C’est pourquoi le domaine des compteurs électriques intelligents est en plein essor. Le travail réalisé à l’ISEN consiste à développer des algorithmes de prédiction des consommations au niveau local (réseau de distribution) à partir de données agrégées, afin de maitriser les flux de puissance au sein du réseau électrique. Ces travaux ont été présentés lors de la conférence IEEE – ISGT Innovative Smart Grid Technologies 2014 KL.

    De plus, le nombre de panneaux photovoltaïques installés en région PACA ayant fortement augmenté lors des 10 dernières années, l’équipe de l’ISEN s’intéresse également à l’impact de ces panneaux photovoltaïques sur le réseau de distribution, ainsi qu’au support en tension et en fréquence qui peut être réalisé par cette source d’électricité distribuée.

    Energy Harvesting

    Les objets connectés et mobiles sont désormais partout, et nécessitent une alimentation. Cette alimentation peut provenir d’une batterie embarquée, nécessitant à l’objet en question d’être rechargé fréquemment. Mais l’alimentation peut également provenir d’une source externe, comme le solaire par exemple. L’équipe de chercheurs de l’ISEN associée au laboratoire de télécommunication  – RFID s’intéresse à l’alimentation à partir d’ondes Radio. En effet, le wifi, le BlueTooth, la téléphonie mobile sont des moyens de télécommunication qui génèrent des ondes Ultra Haute Fréquence, dont l’énergie peut être récupérée pour alimenter des puces électroniques à faible consommation. Le travail du laboratoire consiste alors à réaliser des antennes adaptées aux différents objets connectés et accordées aux fréquences présentes dans l’environnement, afin d’optimiser la récupération d’énergie pour alimenter ces objets.