Brevet FR3058476A1 — publié le 20180511

L'invention concerne le domaine des dispositifs pour convertir l'énergie des vagues en énergie électrique ou hydraulique. Les ressources énergétiques renouvelables connaissent un fort intérêt depuis quelques années. Propres, gratuites et inépuisables, autant d'atouts majeurs dans un monde rattrapé par la diminution inexorable des ressources fossiles disponibles et prenant conscience de la nécessité de préserver la planète. Parmi ces ressources, l'énergie houlomotrice, source relativement méconnue au milieu de celles largement médiatisées comme l'éolien ou le solaire, contribue à la diversification indispensable de l'exploitation des énergies renouvelables. Les dispositifs, couramment appelés appareils "houlomoteurs", sont particulièrement intéressants, car ils permettent de produire de l'électricité à partir de cette source d'énergie renouvelable (l'énergie potentielle et cinétique des vagues), sans émission de gaz à effet de serre. Ils sont particulièrement bien adaptés pour fournir de l'électricité à des sites insulaires isolés. Par exemple, les demandes de brevet FR 2876751, FR 2973448 et WO 2009/081042 décrivent des appareils pour capter l'énergie produite par le flot marin. Ces dispositifs sont composés d'un support flottant sur lequel est disposé un pendule monté mobile par rapport au support flottant. Le mouvement relatif du pendule par rapport au support flottant est utilisé pour produire de l'énergie électrique au moyen d'une machine de conversion de l'énergie (par exemple une machine électrique). La machine de conversion fonctionne en tant que générateur et en tant que moteur. En effet, pour fournir un couple ou une force qui entraîne le mobile, on fournit une puissance à la machine de conversion afin de le mettre en résonance avec les vagues (mode moteur). Par contre, pour produire un couple ou force qui résiste au mouvement du mobile, on récupère une puissance via la machine de conversion (mode générateur). Le mouvement des moyens mobiles est donc contrôlé par la machine de conversion de l'énergie pour favoriser la récupération d'énergie. Afin d'optimiser l'énergie électrique récupérée par les systèmes houlomoteurs, différents procédés de commande de la machine de conversion ont été envisagés. Certains de ces procédés ne sont pas optimaux car la prédiction de la houle n'est pas considérée. De plus, ces procédés ne prennent pas en compte les pertes énergétiques lors de la conversion de l'énergie dans le système houlomoteur. Par exemple, la demande de brevet FR 2973448 (WO 2012/131186) décrit un tel procédé. Par ailleurs, d'autres procédés combinent la commande prédictive avec un algorithme qui prédit la houle. Toutefois, ces algorithmes ne permettent pas de prendre en compte les pertes énergétiques lors de la conversion de l'énergie dans le système 3058476 2 houlomoteur, ce qui ne permet pas de réaliser une commande optimale qui maximise l'énergie récupérée. Par exemple, le document suivant décrit un tel procédé : Giorgio Bacelli, John Ringwood, and Jean-Christophe Gilloteaux. "A control system for a self-reacting point absorber wave energy converter subject to constraints". In: Proceedings of 18th IFAC World 5 Congress. International Federation of Automatic Control (IFAC). 2011, pp. 11387-11392 L'approche de commande prédictive décrite dans la demande de brevet FR 3019235 (WO 2015/150102) est la première qui prend en compte explicitement le rendement de conversion de l'énergie dans la fonction objectif, de manière à garantir la maximisation de 10 la puissance électrique produite par le système houlomoteur. Sous réserve de disposer d'une prédiction de la houle à court terme suffisamment précise, cette formulation répond parfaitement aux attentes en termes de performances, car on peut montrer que l'énergie récupérée sur plusieurs états de mer est toujours très proche du maximum atteignable. En revanche, des calculs complexes et longs sont nécessaires pour obtenir la solution optimale, 15 ce qui peut rendre l'implémentation en temps réel sur le système houlomoteur difficile voire impossible, selon la puissance du calculateur de commande disponible. La complexité de calcul est due à la non convexité de la fonction objectif quadratique, qui couplée au grand nombre d'inconnues, nécessite l'utilisation d'un algorithme d'optimisation non-linéaire à grand échelle. 20 Pour pallier ces inconvénients, la présente invention propose d'améliorer le fonctionnement d'un système houlomoteur par un procédé de commande prédictive de la machine de conversion qui maximise l'énergie générée en prenant en considération le rendement des conversions énergétiques et une prédiction de la houle. De plus, le procédé 25 selon l'invention détermine la commande optimale par minimisation d'une fonction objectif pondérée et discrétisée par la méthode des trapèzes. Ainsi, le procédé de commande selon l'invention permet de déterminer la commande qui maximise la puissance moyenne récupérée avec des temps de calculs réduits, car l'optimisation de la fonction objectif discrétisée et pondérée aboutit à un problème de programmation quadratique strictement 30 convexe, qu'il est possible de résoudre avec des algorithmes très efficaces. Le procédé selon l'invention L'invention concerne un procédé de commande d'un système houlomoteur qui convertit l'énergie de la houle en énergie électrique ou hydraulique, ledit système 35 houlomoteur comportant au moins un moyen mobile qui coopère avec au moins une machine de conversion de l'énergie, et ledit moyen mobile effectuant un mouvement 3058476 3 oscillatoire par rapport à ladite machine de conversion. Pour ce procédé, on réalise les étapes suivantes : a) on construit un modèle dynamique dudit système houlomoteur qui relie la vitesse dudit moyen mobile à ladite force exercée par la houle sur ledit moyen mobile et à la 5 force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile ; b) on construit un modèle énergétique dudit système houlomoteur qui relie la puissance moyenne générée par ladite machine de conversion à la force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile, à la vitesse dudit moyen mobile, et au rendement dudit système houlomoteur ; 10 c) on prédit la force exercée par les vagues sur ledit moyen mobile pour une période de temps prédéterminé ; d) on détermine une valeur de commande de ladite force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile maximisant la puissance moyenne générée par ladite machine de conversion, en mettant en oeuvre les étapes suivantes : 15 i) on détermine une fonction objectif représentative de la puissance générée par ladite machine de conversion au moyen de ladite prédiction de la force exercée par la houle sur ledit moyen mobile, dudit modèle dynamique et dudit modèle énergétique ; ii) on discrétise ladite fonction objectif par la méthode des trapèzes ; 20 iii) on pondère, dans ladite fonction objectif discrétisée, les valeurs futures de la commande par des coefficients de pondération prédéterminés ; iv) on déduit ladite valeur de commande de ladite force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile par minimisation de ladite fonction objectif discrétisée et pondérée ; et 25 e) on commande ladite machine de conversion au moyen de ladite valeur de commande. Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite fonction objectif J discrétisée et pondérée s'écrit : zi^j/p (-) 2 jua(k + j1k)(v(k + 11k) + v(k + j + 11k)) avec ci, lesdits coefficients de 30 pondération, ua la force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile, et v la vitesse dudit moyen mobile, et Np nombre de pas de temps discrets contenus dans l'horizon de prédiction. Avantageusement, ladite fonction objectif J discrétisée et pondérée s'écrit sous une forme matricielle du type 35 J = u7e'Hue + 2u7e'f [x(wkikl avec ue un vecteur de la force exercée par ladite machine de e conversion sur ledit moyen mobile, x le vecteur d'état du modèle du système houlomoteur 3058476 4 avec sa machine de conversion, we le vecteur des prédictions de la force de la houle, H la matrice de pondération sur le vecteur Lie. , f la matrice de pondération sur l'état courant x du modèle dynamique global du système houlomoteur et le vecteur des prédictions de la force de la houle we. 5 De préférence, on remplace les valeurs propres négatives ou nulles de ladite matrice de pondération H par des valeurs propres positives prédéterminées. Selon une mise en oeuvre, on prédit la force exercée par la houle sur ledit moyen mobile par au moins une mesure ou une estimation de ladite force exercée par la houle sur ledit moyen mobile, notamment au moyen d'un ensemble de capteurs de pression disposés 10 au niveau du moyen mobile ou de capteurs de force disposés entre ledit moyen mobile et la machine de conversion. Conformément à une variante, ledit modèle dynamique dudit système houlomoteur s'écrit sous une forme '(t) = Acx(t) + B'u(t) + Bcww(t) avec x le vecteur d'état dudit système houlomoteur avec ty(t) = Ccx(t) 15 ladite machine de conversion, u la commande de ladite force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile, w la force d'excitation de la houle incidente sur ledit moyen mobile, et Ac, Bcu, Bcw, Cc des matrices qui multiplient l'état, et les entrées dudit modèle dynamique pour permettre le calcul de la variation dynamique de l'état et les sorties dudit modèle dynamique. 20 Selon une caractéristique, ledit modèle dynamique dudit système houlomoteur intègre une dynamique idéale de ladite machine de conversion, en considérant la commande de ladite machine de conversion quasi instantanée par rapport à la dynamique dudit système houlomoteur. Conformément à une option de réalisation, ledit modèle énergétique s'écrit par une 25 formule du type : Pa = -T ft 0 Tittavdt avec Pa la puissance moyenne générée, t le temps, T une durée prédéterminée, Ti le rendement de la conversion de l'énergie, u la force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile et v la vitesse dudit moyen mobile par rapport à ladite machine de conversion. De préférence, ledit rendement Ti est fonction de la force ua exercée par la machine de 30 conversion sur ledit moyen mobile et de la vitesse v du moyen mobile par rapport à ladite machine de conversion. De manière avantageuse, ledit rendement Ti est calculé par une formule du type : tip si uav 0 17(uav) = [lm si uav REVENDICATIONS1) Procédé de commande d'un système houlomoteur qui convertit l'énergie de la houle (3) en énergie électrique ou hydraulique, ledit système houlomoteur comportant au moins un moyen mobile (2) qui coopère avec au moins une machine de conversion (1) de l'énergie, et ledit moyen mobile (2) effectuant un mouvement oscillatoire par rapport à ladite machine de conversion (1), caractérisé en ce qu'on réalise les étapes suivantes : a) on construit un modèle dynamique dudit système houlomoteur qui relie la vitesse dudit moyen mobile (2) à ladite force exercée par la houle (3) sur ledit moyen mobile (2) et à la force exercée par ladite machine de conversion (1) sur ledit moyen mobile (2) , b) on construit un modèle énergétique dudit système houlomoteur qui relie la puissance moyenne générée par ladite machine de conversion (1) à la force exercée par ladite machine de conversion (1) sur ledit moyen mobile (2), à la vitesse dudit moyen mobile (2), et au rendement dudit système houlomoteur ; c) on prédit la force exercée par les vagues (3) sur ledit moyen mobile (2) pour une période de temps prédéterminé ; d) on détermine une valeur de commande de ladite force exercée par ladite machine de conversion (1) sur ledit moyen mobile (2) maximisant la puissance moyenne générée par ladite machine de conversion (1), en mettant en oeuvre les étapes suivantes : i) on détermine une fonction objectif représentative de la puissance générée par ladite machine de conversion (1) au moyen de ladite prédiction de la force exercée par la houle (3) sur ledit moyen mobile (2), dudit modèle dynamique et dudit modèle énergétique ; ii) on discrétise ladite fonction objectif par la méthode des trapèzes ; iii) on pondère, dans ladite fonction objectif discrétisée, les valeurs futures de la commande par des coefficients de pondération prédéterminés ; iv) on déduit ladite valeur de commande de ladite force exercée par ladite machine de conversion (1) sur ledit moyen mobile (2) par minimisation de ladite fonction objectif discrétisée et pondérée ; et e) on commande ladite machine de conversion (1) au moyen de ladite valeur de commande. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite fonction objectif J discrétisée et pondérée s'écrit : J = Ejj\.112,32qiva(k +j1k)(v(k +j1k) + v(k + j + 11k)) avec qi lesdits coefficients de pondération, ua la force exercée par ladite machine de conversion (1) sur ledit moyen 3058476 28 mobile, et v la vitesse dudit moyen mobile (2), Np nombre de pas de temps discrets contenus dans l'horizon de prédiction. 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite fonction objectif J discrétisée et 5 pondérée s'écrit sous une forme matricielle du type k J = u7e'Hue + 2uj [x(l ic)1 avec Lie un vecteur de la force exercée par ladite machine de we conversion sur ledit moyen mobile, x le vecteur d'état du modèle du système houlomoteur avec sa machine de conversion, we le vecteur des prédictions de la force de la houle, H la matrice de pondération sur le vecteur Lie. , f la matrice de pondération sur 10 l'état courant x du modèle dynamique global du système houlomoteur et le vecteur des prédictions de la force de la houle we. 4) Procédé selon la revendication 3, dans lequel on remplace les valeurs propres négatives ou nulles de ladite matrice de pondération H par des valeurs propres positives 15 prédéterminées. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on prédit la force exercée par la houle sur ledit moyen mobile (2) par au moins une mesure ou une estimation de ladite force exercée par la houle sur ledit moyen mobile, notamment au 20 moyen d'un ensemble de capteurs de pression disposés au niveau du moyen mobile ou de capteurs de force disposés entre ledit moyen mobile et la machine de conversion. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit modèle dynamique dudit système houlomoteur s'écrit sous une forme - '(t) = Acx(t) + B'u(t) + Bcww(t) 25 avec x le vecteur d'état dudit système houlomoteur 6(0 = Coc(t) avec ladite machine de conversion, u la commande de ladite force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile, w la force d'excitation de la houle incidente sur ledit moyen mobile, et Ac, Bcu, Bcw, Cc des matrices qui multiplient l'état, et les entrées dudit modèle dynamique pour permettre le calcul de la variation dynamique 30 de l'état et les sorties dudit modèle dynamique. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit modèle dynamique dudit système houlomoteur intègre une dynamique idéale de ladite machine de conversion, en considérant la commande de ladite machine de conversion quasi 35 instantanée par rapport à la dynamique dudit système houlomoteur. 3058476 29 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit modèle 1 f énergétique s'écrit par une formule du type : Pa = - T - ,t T omiavdt avec Pa la puissance moyenne générée, t le temps, T une durée prédéterminée, Ti le rendement de la 5 conversion de l'énergie, u la force exercée par ladite machine de conversion sur ledit moyen mobile et v la vitesse dudit moyen mobile par rapport à ladite machine de conversion. 9) Procédé selon la revendication 8, dans lequel ledit rendement Ti est fonction de la force 10 ua exercée par la machine de conversion (1) sur ledit moyen mobile (2) et de la vitesse v du moyen mobile (2) par rapport à ladite machine de conversion (1). 10) Procédé selon la revendication 9, dans lequel ledit rendement Ti est calculé par une formule du type : Zip si Liai) > 0 15 Ti(itay) = [lm si ttav 11) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit procédé comprend une étape préalable d'optimisation desdits coefficients de pondération par un algorithme 20 génétique, ou par optimisation par essaims particulaires, ou par la recherche par voisinage variable ou par la méthode de Nelder-Mead. 12) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on réitère les étapes c), d) et e) pour une commande prédictive à horizon glissant. 13) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite machine de conversion (1) de l'énergie est une machine électrique ou hydraulique. 25 30