Collaborative control within Wave Energy Converter arrays

Les fermes houlomotrices de seconde génération qui seront déployées dans les années qui viennent seront composées d’un grand nombre de modules identiques mouillés en mer et rapportant au rivage l’électricité produite par câbles sous-marins. Il a été montré que le contrôle des machines houlomotrices permet d’augmenter significativement leur rendement. Cependant, le contrôle optimal d’un système houlomoteur est non causal, i.e. son application nécessite la prévision de la force d’excitation soumise par le champ de vague sur chacun des éléments de la ferme. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont consisté à mettre en place une stratégie de contrôle permettant une récupération d’énergie proche de l’optimum théorique en tenant compte des interactions hydrodynamiques liées à la configuration de ferme et permettant de résoudre la non-causalité d’un tel contrôleur en utilisant uniquement l’information contenue dans les vecteurs d’états des machines de la ferme. Dans un premier temps, les équations reliant les différents états des machines de la ferme ont été établies puis ont été utilisées afin d'effectuer une prévision des états sur les corps contrôlés permettant ainsi d’appliquer un contrôle réactif pseudo causal. Afin de contraindre la dynamique des corps et maitriser l’horizon de non causal du contrôleur, une méthode de fenêtrage a été appliquée à l’impédance du contrôleur. À l’aide d’un simulateur temporel développé spécifiquement, une étude de sensibilité a été conduite pour définir les paramètres optimaux et le comportement de la stratégie de contrôle et de son fenêtrage. La robustesse et la performance du contrôleur ont ensuite été évaluées pour différents changements extérieurs comme la dérive des corps, les variations d’orientation de houle, et l’étalement spectral directionnel. L’application de la stratégie de contrôle à une ferme de 10 corps a montré une récupération d’énergie supérieure à 83% de la limite théorique maximale.The next generation of wave farms will becomposed of a large number of identical devices deployed offshore, which will transfer the retrieved energy to the shore using submarine cables. It hasbeen proven that the control of Wave Energy Converters can improve their efficiency. However, one of the main challenges of WEC control is the noncausality of the optimal controller. Indeed, the time domain application of this kind of control requires the forecast of the excitation force applied by the wavefield on each device of the farm. The work presented in this thesis aimed at developing and assessing a control strategy with an energy efficiency close to the theoretical optimum, taking into account the hydrodynamic interactions between the farm devices, and solving the non-causality issue using the measurements of the states of the device of the array. First, the equations linking the devices’ states within the array have been established and used to performa deterministic forecast of the states of the controlled bodies, which allowed to apply a pseudo-causal reactive control. Moreover, a window function hasbeen applied to the controller impedance in order to constrain the dynamic of the controlled bodies, and also to regulate the non-causal horizon of the controller. Then, using a time domain simulator developed specifically, a sensibility analysis has been performed to define the optimal parameters and the behavior of the controller with the window function.The robustness and the performances of the controller have also been assessed when affected by exterior changes such as device drift, wave orientation modification, and directional spreading of the wave spectrum. The collaborative controlled strategy applied to a farm of 10 devices has shown an energy efficiency over 83% of the theoretical bound