Unité d’enseignement : Master GEEL · S1 · UE1 — Systèmes Avancés de Conversion d’Énergie

Ce cours de Master 1 (semestre 1), à forte dominante pratique, donne à l’ingénieur GEEL les outils de modélisation et de simulation nécessaires aux études de systèmes énergétiques : représentation d’état, bond graphs et modèles moyens des convertisseurs ; co-simulation et Hardware-in-the-Loop ; études de réseaux de distribution avec pandapower et OpenDSS ; simulation stochastique (Monte-Carlo, sensibilité, fiabilité, P50/P90) ; optimisation méta-heuristique et multi-objectif assistée par modèles de substitution. Les applications portent sur des cas nigériens : départs HTA NIGELEC, centrales PV autour de Niamey, mini-réseaux hybrides ruraux.

Objectifs d’apprentissage

• Modéliser des systèmes énergétiques complexes par la méthode des espaces d’état et des bond graphs.
• Réaliser des co-simulations entre MATLAB/Simulink, PLECS et Python pour des études système.
• Mettre en œuvre la simulation Monte-Carlo pour l’analyse de sensibilité des systèmes EnR.
• Développer des modèles de substitution (surrogate models) pour l’optimisation des systèmes haute puissance.

Prérequis

Simulation & Modélisation MATLAB S4 (SIM4102) ; Mathématiques Appliquées Laplace/Fourier (MAL4101).

Plan du cours

1. Leçon 1 — Modélisation Avancée
2. Leçon 2 — Co-simulation et Outils Avancés
3. Leçon 3 — Simulation Stochastique
4. Leçon 4 — Optimisation et Conception

Travaux pratiques

Le syllabus prévoit 14 h de TP (sans liste détaillée) ; ils sont organisés en un TP guidé par module :

• Modélisation moyenne vs commutation d’un boost (leçon 1).
• Scripts pandapower et OpenDSS sur un départ HTA 20 kV (exercices de la leçon 2).
• Calcul P50/P90 par Monte-Carlo et indices de Sobol (leçon 3).
• Optimisation multi-objectif d’un système hybride PV + éolien + BESS avec NSGA-II (leçon 4).

Modalités d’évaluation

Volume horaire : CM 14 h, TD 6 h, TP 14 h, TPE 26 h, soit 60 h de charge totale (CTT) — 3 crédits. Évaluation : contrôle continu 100 % (pas d’examen terminal), nature TP (pratique) : comptes rendus de TP, scripts et modèles rendus, mini-projet de synthèse.

Bibliographie

• MathWorks, Simulink Modeling Guide (mathworks.com).
• Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill.
• Erickson & Maksimović, Fundamentals of Power Electronics, Springer (complément, modèles moyens).
• Saltelli et al., Global Sensitivity Analysis: The Primer, Wiley (complément).
• Deb, Multi-Objective Optimization Using Evolutionary Algorithms, Wiley (complément).

Ce cours de Master 1 (semestre 1) traite des lois de commande modernes appliquées aux convertisseurs statiques des systèmes d’énergies renouvelables : régulateurs numériques (RST) implantés sur DSP, algorithmes MPPT avancés pour les champs PV soumis à l’ombrage et à la poussière, commande robuste par mode glissant et commande prédictive à ensemble fini. Chaque méthode est posée mathématiquement, appliquée à un cas concret (boost PV, onduleur raccordé au réseau NIGELEC 230/400 V – 50 Hz, mini-réseau solaire) puis validée en simulation et en Hardware-in-the-Loop.

Objectifs d’apprentissage

• Concevoir des régulateurs numériques avancés (RST, prédictif, robuste) pour les convertisseurs de puissance.
• Implémenter des algorithmes MPPT de 2^e génération sur processeurs DSP/FPGA.
• Maîtriser la commande par mode glissant et la commande prédictive (MPC) appliquées aux onduleurs.
• Valider les stratégies de commande par simulation Hardware-in-the-Loop (HIL).

Prérequis

Signaux & Systèmes Linéaires 2 (SSL4301) ; Commande des Machines Électriques (CME4303).

Plan du cours

1. Leçon 1 — Commande Numérique Avancée des Convertisseurs
2. Leçon 2 — MPPT Avancé pour Systèmes PV
3. Leçon 3 — Commande par Mode Glissant (SMC)
4. Leçon 4 — Commande Prédictive (MPC)

Travaux pratiques

• TP1 : MPPT par logique floue sur simulateur MATLAB/Simulink (leçon 2).
• TP2 : Commande SMC d’un hacheur boost PV — validation HIL sur dSPACE (leçon 3).
• TP3 : FCS-MPC d’un onduleur triphasé — comparaison avec PI vectoriel (leçon 4).

Modalités d’évaluation

Volume horaire : CM 18 h, TD 8 h, TP 6 h, TPE 28 h, soit 60 h de charge totale (CTT) — 3 crédits. Évaluation CC + ET : contrôle continu 40 % (comptes rendus de TP, TD, quiz) et examen terminal 60 % ; nature mixte.

Bibliographie

• Franklin, Powell & Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, Pearson.
• Rodriguez & Cortes, Predictive Control of Power Converters and Electrical Drives, IEEE Press / Wiley.
• Utkin, Guldner & Shi, Sliding Mode Control in Electro-Mechanical Systems, CRC Press (complément).
• Landau & Zito, Digital Control Systems, Springer (complément sur le RST).

Ce cours de Master 1 (semestre 1) approfondit l’électronique de puissance au service des systèmes d’énergies renouvelables. Il part de la physique des composants à grand gap (SiC, GaN), qui permettent aujourd’hui des convertisseurs à rendement supérieur à 97-99 %, pour aller jusqu’aux topologies utilisées dans les centrales PV, les systèmes de stockage par batteries et les liaisons HVDC. Les études de cas sont ancrées dans le contexte nigérien : températures ambiantes de 45 °C, poussière d’harmattan, réseau NIGELEC 230/400 V – 20/33 kV, centrales et mini-réseaux solaires.

Objectifs d’apprentissage

• Analyser et concevoir des convertisseurs de puissance haute performance (rendement > 97 %) pour les systèmes EnR.
• Maîtriser la MLI multi-niveaux et les topologies avancées (NPC, Flying Capacitor, MMC).
• Modéliser les phénomènes de commutation à haute fréquence et dimensionner les circuits d’amortissement.
• Évaluer et optimiser les pertes dans les composants SiC et GaN pour la prochaine génération de convertisseurs.

Prérequis

Électronique de Puissance — Licence S2 (ELP2202) ; Physique des Semi-conducteurs (PSC1101).

Plan du cours

1. Leçon 1 — Composants de Puissance de 3e Génération
2. Leçon 2 — Topologies Avancées AC/DC
3. Leçon 3 — Onduleurs Multi-niveaux
4. Leçon 4 — Convertisseurs pour les EnR

Travaux pratiques

• TP1 : Caractérisation SiC MOSFET — mesures de commutation Double-Pulse Test (leçon 1).
• TP2 : Conception et simulation d’un onduleur NPC 3 niveaux sous PLECS (leçon 3).
• TP3 : Optimisation d’un convertisseur boost PV 50 kWc — bilan de pertes complet (leçon 4).

Modalités d’évaluation

Volume horaire : CM 22 h, TD 8 h, TP 10 h, TPE 40 h, soit 80 h de charge totale (CTT) — 4 crédits. Évaluation CC + ET : contrôle continu 40 % (comptes rendus de TP, TD notés, quiz en ligne) et examen terminal 60 % ; nature mixte (écrit et pratique).

Bibliographie

• Mohan, Undeland & Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design, Wiley.
• Holmes & Lipo, Pulse Width Modulation for Power Converters, IEEE Press.
• Bose, Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall.
• Erickson & Maksimović, Fundamentals of Power Electronics, Springer (complément).
• B. J. Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer (complément sur les composants).