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De nombreux travaux sont consacrés depuis quinze à vingt ans à la modélisation numérique efficace des empilements de tôles utilisés pour les circuits magnétiques des machines et transformateurs. Les formulations proposées jusqu’ici pour l’homogénéisation magnétodynamique, même dans le cas harmonique linéaire, semblent incomplètes. C’est en particulier le cas lorsqu’il faut prendre en compte l’effet d’un champ d’excitation sur la surface externe de la première ou dernière tôle de l’empilement, en plus de l’effet du flux principal traversant l’empilement : un effet de peau « classique » apparaît alors pour les premières tôles, résultant d’un courant net non nul dans l’épaisseur de ces tôles. Ce phénomène est mal pris en compte par les formulations discrètes homogénéisées, y compris celles qui permettent la circulation d’une densité de courant homogénéisée non nulle. Par ailleurs, le maillage fin de ces tôles dans le sens de l’épaisseur conduit aux bonnes solutions, mais n’est pas numériquement efficace et n’est donc applicable qu’à des cas académiques. Le principe des techniques habituelles d’homogénéisation est d’approcher la solution exacte de manière asymptotique, en fonction d’un « petit paramètre ». Dans ce travail, l’approche choisie est radicalement différente : nous partons du constat que, dans la situation 1D, la solution exacte peut être représentée en n’utilisant qu’un degré de liberté par inter-tôle (plus une inconnue par tôle pour prendre en compte la condition de fermeture des courants), ces degrés de liberté étant solution d’une équation aux différences. En partant d’une forme faible de type éléments finis, nous construisons ici une matrice exactement équivalente à cette équation aux différences. Nous obtenons ainsi pour la direction normale aux tôles une formulation discrète en potentiel vecteur, avec un élément du premier ordre par tôle, que nous étendons (de manière classique) aux deux directions tangentes aux tôles, pour pouvoir résoudre des problèmes 2D ou 3D. Cette technique est beaucoup plus précise que l’utilisation de l’homogénéisation classique avec le même maillage à un élément par tôle. Nous montrons qu’elle peut n’être utilisée que pour les premières tôles proches de la surface de l’empilement, un couplage avec l’homogénéisation classique (avec un maillage moins dense) prenant en compte les phénomènes dans l’épaisseur de cet empilement, sans perte sensible de précision. Ce travail ouvre par ailleurs des perspectives étonnantes pour la prise en compte des conducteurs massifs dans les formulations magnétodynamique, sans maillage fin de l’effet de peau, et pourtant avec une grande précision, pour des fréquences allant du statique à la limite asymptotique des impédances de surface.

Warning: this manuscript was submitted to the PSCC 2022 conference and is under review.; Microgrid sizing optimization is often formulated as a black-box optimization problem. This allows modeling the microgrid with a realistic temporal simulation of the energy flows between components. Such models are usually optimized with gradient-free methods, because no analytical expression for gradient is available. However, the development of new Automatic Differentiation (AD) packages allows the efficient and exact computation of the gradient of black-box models. Thus, this work proposes to solve the optimal microgrid sizing using gradient-based algorithms with AD packages. However, physical realism of the model makes the objective function discontinuous which hinders the optimization convergence. After an appropriate smoothing, the objective is still nonconvex, but convergence is achieved for more that 90 % of the starting points. This suggest that a multi-start gradient-based algorithm can improve the state-of-the-art sizing methodologies.

National audience; ABSTRACT – The increasing electrification of urban public transports requires to improve the design of the electrical infrastructures in order to account for all the technical and financial challenges involved in the creation of a new line. This paper presents a new optimization tool dedicated to the sizing of tramway electrical infrastructures: power substations, overhead transmission line, feeders, equipotentials. The goal is to determine the number, positions and technical characteristics of all these components in order to achieve the best trade-offs between investment costs, energy costs and the quality of the traffic power supply. The sizing problem is formulated as a multi-objective optimization problem and solved using the NSGA-II genetic algorithm. The proposed method is applied to a simple test-case and results are analyzed.; RESUME – L'électrification croissante des transports publics urbains nécessite d'améliorer la conception des infrastructures électriques afin de prendre en compte l'ensemble des enjeux techniques et financiers liés à la création d'une nouvelle ligne. Cet article présente un nouvel outil d'optimisation dédié au dimensionnement des infrastructures électriques des tramways : sous-stations électriques, lignes aériennes de contact, feeders, équipotentielles. L'objectif est de déterminer le nombre, les positions et les caractéristiques techniques de tous ces composants afin d'obtenir les meilleurs compromis entre les coûts d'investissement, les coûts énergétiques et la qualité de l'alimentation du trafic. Le problème de dimensionnement est formulé comme un problème d'optimisation multi-objectifs et résolu à l'aide de l'algorithme génétique NSGA-II. La méthode proposée est appliquée à un cas test simple et les résultats sont analysés.

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National audience; In this paper we present the first results of the work that we started few month ago in order to demonstrate the advantage of using Hybrid Energy Storage System (HESS) with batteries and Super Capacitors (SCs) in Low Voltage DC Micro-Grid (LVDC-MG) in residential application. To achieve this goal we study the impacts of the quantity of SCs on the battery lifetime, the HESS cost and the losses energy (energy that can't be store). This analysis has been done on the LVDC MG developed in LAAS-CNRS in ADREAM Building Integrated PhotoVoltaic (BiPV). The HESS is made by two types of Energy Storage System (ESS), SCs and OPzV lead acid batteries. The power profiles used for simulation are 1 year's data PV production and light consumption from one of the floor of the BiPV.

International audience; High Temperature Superconductors (HTS) are promising for applications requiring high power densities, such as superconducting electrical motors. Various approaches have been developed to model HTS, in particular for AC losses evaluation in thin wires and tapes. Indeed, AC losses are one of the key factors to size properly the cryogenic systems. In some applications, where the HTS materials are used as magnetic screens or as permanent magnets, such as in electrical motors, it is relevant to estimate properly the penetration of the magnetic field in order to optimize the magnetization processes and the integration of these materials in such systems.In previous works [1]–[3], analytical tools in 2D have been successfully developed for calculating the magnetic field distribution in different devices integrating HTS bulks by considering them as perfect diamagnetic materials, e.g. a superconducting electrical machine or an inductor with an iron core used for the pulsed field magnetization of a bulk HTS. These methods provide continuous derivatives and are useful tools for the design and optimization of such systems. They lead to meaningful solutions with helpful physical insights. However, they are limited to simple geometries and do not take into account either eddy currents or the variation of the critical current density with the magnetic field, which is crucial in HTS. On the other hand, rapid modeling approaches are needed, and the use of classical numerical tools is often ineffective in the design and optimization process due to considerable calculation time. Specific numerical approaches ensuring a better compromise between precision and calculation time are still required.In this context, the present work presents a hybrid model in which the HTS behavior is represented by the power law E(J, B) = Ec (J /Jc (B)) ^ n(B), taking into account the variation of the critical current density and the power exponent with respect to the magnetic flux density. The magnetic vector potential, the magnetic field and the current density distributions are computed by means of analytical and integral equations implemented on MATLAB. The resolution of the obtained stiff ordinary differential equations are performed using available solvers in MATLAB with adaptive time steps. The integral equations used to calculate the induced currents in the HTS materials are based on the well-known “Brandt method” developed in 1996 for strips and slabs, and later for disks and cylinders in an axial magnetic field.One of the main advantage of the hybrid method proposed here is that only the active parts are discretized. Distributions of the magnetic field over time and other quantities such as losses are presented. Calculation times for the studied problems are given and compared with those obtained from classical FEM software.

Oral; International audience; Pour pouvoir dimensionner des dispositifs supraconducteurs, en particulier le système cryogénique associé, il est nécessaire d’estimer avec précision les pertes AC. Les méthodes de détermination analytiques ou expérimentales sont souvent difficiles à appliquer sur des systèmes réels, de sorte que ces pertes ne peuvent souvent être estimées que de manière numérique. Dans cet article, nous présentons les résultats de modélisations sur un cube supraconducteur. Après une étape de validation numérique entre plusieurs codes, cet article s’intéresse plus particulièrement à l’influence du maillage et au traitement de la loi de comportement non linéaire du supraconducteur par les codes de calcul utilisés. L’objectif final de ces travaux est de produire des modèles numériques 3-D des supraconducteurs plus rapides et plus précis.

International audience; AC losses are one of the key parameters in sizing High Temperature Superconducting (HTS) large scale devices. Therefore, their estimation has to be realistic in order to properly design the cryogenic system. Thus far, various 3D numerical models have been developed to that goal. However, the lack of analytical solutions in most of the cases and the scarcity of the experimental data leave the accuracy of the numerical methods an open question. In this paper, a benchmark on the 3D numerical modeling of a superconducting bulk is introduced. After a detailed description of the methods and their implementations, the results obtained by various independent teams are compared and discussed. This paper can be defined as a beginning of a conjoint work on 3D modeling of HTS bulks.

So far, various numerical models have been developed to simulate high temperature superconductor in 3D. However, the lack of analytical solutions in the 3D case and the scarcity of experimental data make it difficult to evaluate the accuracy of the proposed models. In the present work, a benchmark on the 3D numerical modeling of a superconducting bulk is introduced. The problem is tackled by five independent teams using six different numerical models. After a detailed description of the models and their implementations, the results obtained are compared and discussed.

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National audience; L’article détaille les choix de conception d’un convertisseur DC-DC non-isolé de type buck à 2 phases couplées, faible tension et faible puissance (3,3 V vers 1,2 V ; 500 mW), à très haute fréquence de découpage (200MHz). Les choix technologiques pour la puce active d’une part et l’interposeur passif d’autre part sont rapidement décrits. L’article met l’accent sur les composants magnétiques qui ont été fabriqués dans une structure 2,5D. En particulier, des caractérisations harmoniques sont décrites ainsi que des tests en commutation à haute fréquence. Ces travaux sont supportés par la Commission Européenne, via le projet PowerSWIPE (EU FP7 n. 318529).

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International audience; This paper deals with the speed control of a variable speed doubly-fed induction generator (DFIG)-based marine current turbine (MCT). To increase the generated power and therefore the efficiency of an MCT, a nonlinear controller has been proposed. DFIG has been already considered for similar applications, particularly wind turbine systems using mainly proportional-integral (PI) controllers. However, such kinds of controllers do not adequately handle some tidal resource characteristics such as turbulence and swell effects. These may decrease MCT performances. Moreover, DFIG parameter variations should be accounted for. Therefore, a robust nonlinear control strategy, namely high-order sliding mode (HOSM) control, is proposed. This control strategy relies on the resource and the marine turbine models that were validated by experimental data. The sensitivity of the proposed control strategy is analyzed regarding the swell effect as it is considered as the most disturbing one for the resource model. Tidal current data from the Raz de Sein (Brittany, France) are used to run simulations of a 7.5-kW prototype over various flow regimes. Simulation results are presented and fully analyzed.

International audience; This paper deals with the modelling and control of a variable speed doubly fed induction generatorbased marine current turbine with and without tidal current speed sensor. The proposed maximum power point tracking control strategy relies on the resource and the marine turbine models that were validated by experimental data. The sensitivity of the proposed control strategy is analysed regarding the swell effect because it is considered as the most disturbing one for the resource model. Tidal current data from the Raz de Sein (Brittany, France) are used to run simulations of a 7.5-kW prototype over various flow regimes. Simulation results are presented and fully analysed.

National audience; 1. Contexte scientifique et pertinenceL’utilisation de supraconducteurs de dernière génération est d’un intérêt primordial pour le développement des applications supraconductrices dans le domaine du génie électrique. Le tableau 1 résume les avantages de l'utilisation des dispositifs supraconducteurs à haute température (HTS pour High Temperature Superconductors) pour la conversion de l'énergie, le transport et la distribution. Il est remarquable de constater que les avantages sont de natures différentes, allant de l'amélioration de l'efficacité énergétique aux nouvelles technologies de réseau et au respect environnemental [1].Ne présentant aucune perte en courant DC, les supraconducteurs engendrent néanmoins des pertes par hystérésis et par courants induits lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique variable ou lorsqu’ils sont parcourus par un courant variable. Dès 100 Hz, les pertes générées dans ces matériaux refroidis à basse température entraînent une augmentation de la puissance nécessaire au refroidissement. A titre d’exemple, 1 W de pertes à froid peut représenter plus de 100 W à température ambiante. Cela conduit donc à une augmentation considérable de la taille et du poids du système de refroidissement. La connaissance des pertes et leur maîtrise est un des verrous scientifiques et technologique pour les futures applications de la supraconductivité dans le Génie Electrique.2. Enjeux et caractère exploratoireBien que le mécanisme générant les pertes AC dans un matériau supraconducteur soit bien connu, e.g. [2], dans de nombreux cas, il n’est pas simple de comprendre le comportement des pertes AC observé dans des conducteurs ou des dispositifs. Même au niveau d’un simple conducteur sous forme de ruban, les caractéristiques de pertes AC peuvent être très différentes de ceux d'un supraconducteur pur, si des matériaux magnétiques sont présents par exemple [3].Les mesures de pertes sont habituellement effectuées électriquement. Ces mesures ne sont toutefois pas sans difficultés. En effet, la composante de la tension qui produit des pertes est entièrement masquée dans la partie inductive. Le positionnement des prises de potentiel a une influence capitale sur la mesure car ils captent une partie du flux magnétique produit par l'échantillon et aussi une partie induite provenant des pièces environnantes. Une des difficultés expérimentales et de s’affranchir de tout métal conducteur à proximité du supraconducteur, y compris le cryostat, afin de ne pas interférer su les pertes mesurées qui sont très faibles. Il faut donc un cryostat spécifique en fibre de verre.Dans le cadre de ce projet, nous souhaitons étudier les pertes dans des fils supraconducteurs de dernière génération, i.e. BiSCCO, YBCO et MgB2, à différentes températures et pour différents champs magnétiques appliqués. Les aspects modélisation et expérimentaux seront traités en parallèle pour confronter la véracité des résultats obtenus. En effet, la modélisation de tels dispositifs est tout aussi délicate que les mesures à effectuer.3. Programme de travailL’approche choisie se décompose en deux temps. Dans un 1er temps, avec l’expérience acquise des 2 laboratoires en supraconductivité, il s’agira de définir les limites de l’étude telles que les dimensions des fils à tester, la fréquence d’alimentation, les températures envisagées, afin de spécifier clairement le besoin et d’acheter le matériel nécessaire. Comme évoqué précédemment, le problème est complexe car il est fortement contraint par des choix antagonistes au niveau électrique, magnétique, thermique et mécanique. Des pré-dimensionnements réalisés avec l’aide de simulations numériques sont nécessaires. Dans un 2ème temps, ce sera une phase de mesures de pertes sur différentes échantillons. Ces mesures pourraient être réalisées par un stagiaire de Master. La modélisation finale des expériences de mesures de pertes sera également effectuée et confrontée aux résultats obtenus en pratique.4. Partenariats et complémentaritésLes deux laboratoires impliqués dans le projet proposé ont tous deux une forte expérience dans le dimensionnement et l’étude de systèmes supraconducteurs mais des compétences différentes.L’intérêt d’Arnaud Badel, de Guillaume Escamez et de Pascal Tixador se porte plus sur la modélisation numérique des pertes dans les supraconducteurs. L’équipe commune Institut Néel/G2Elab possède également de fortes compétences en cryogénie, et une entrée au LNCMI où des caractérisations de matériaux peuvent êtres effectuées en champ magnétique continu jusqu’à 20 T.Kévin Berger,Bruno Douine et Jean Lévêque ont des compétences dans les modèles analytiques de pertes des supraconducteurs. Ils étudient et développent actuellement des bancs de mesures de pertes à la température de l’azote liquide. Ils ont également mis au point plusieurs outils et méthodes permettant de caractériser les supraconducteurs, ce qui est indispensable pour la modélisation.[1] M. Noe. Superconducting power applications and their potential to increase efficiency. Symposium on Superconducting Devices for Wind Energy Systems, Barcelona, 25 February 2011.[2] S. Elschner, B. Douine, E. Demencik, F. Grilli, W. Goldacker, A. Kudymow, M. Vojenciak, V. Zermeno, M. Stemmle, M. Noe. Experimental setup of a superconducting power transmission cable for AC-loss investigations under controlled current distribution. European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS 2013. Genova, Italy, 15-19 September 2013.[3] F. Grilli, S.P, Ashworth & L. Civale. Interaction of magnetic field and magnetic history in high-temperature superconductors. Journal of Applied Physics , vol. 102, pp. 073909, 2007.