M2 Physique et ingénierie de l'énergie (PIE) : Réseaux électriques et énergies renouvelables

Background knowledge in electromagnetism, electromechanical systems and power electronics

-Introduction and principles of electromechanical conversion

• Overview of modern electromechanical converters 
• Key physical quantities in electrical machines 
• Fundamentals of electromechanical conversion 
• Virtual work method for analyzing electrical machines 

-Synchronous electrical machines

• Wound-rotor synchronous machines 
• Permanent magnet synchronous machines 
• Synchronous reluctance machines 

-Study of synchronous machines using Matlab-Simulink

• Characterization of elementary machines via finite element analysis 
• Analysis of different types of torque 
• Study under mechanical load conditions 
• Grid-connected machines 

-Dynamic modeling and basics of vector control

• Calculation of machine inductances (for both smooth-airgap and salient-pole configurations)
• Development of the dynamic model of an induction machine
• Development of the dynamic model of a salient-pole synchronous machine
• Presentation of the main transformations (Concordia and Park), and calculation of the corresponding transformation matrices based on the physical properties to be preserved
• Application of the transformations to the squirrel-cage induction motor and to the salient-pole synchronous machine, including the selection of different Park reference frames
• Introduction to the principle of aligning the d-axis of the Park’s reference frame with the rotor flux vector, and raising student awareness of the similarities between this decoupled control strategy and that of a separately excited DC machine

First, to provide an overview of electrical machines, focusing on their operating principles and the calculation of key parameters such as flux linkages, voltage, torque, and losses. Additionally, the course covers both traditional and modern modelling techniques, with an emphasis on dynamic and vector-based modelling of AC motors.

8 three-hour sessions: 14 hours of lectures, 6 hours of tutorials, 4 hours of practical works (modelling/simulation)

This course enables students to deepen their understanding of modern electrical machines. They will be able to derive the models of electrical machines and operate them under optimal conditions.

“Induction Machines Handbook: Transients, Control Principles, Design and Testing”, Ion Boldea, CRC Press, 3rd Edition (2020) 

“Electric Machinery” A. E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr., S. D. Umans, McGraw-Hill Professional

“Electric Machines and Drives: Principles, Control, Modelling, and Simulation”, Ned Mohan, Wiley (2011)

electronics basics, electromagnetism

The course program is divided into 3-hour sessions:
Sessions 1 - 5: Fundamentals of power electronics
Sessions 6-7 :  Semiconductors and passive components model and assciated design
Session 8: Labwork (simulated and practical)

The objectives of this course is to learn what are the main structure of conversion, to determine the rms current and voltage and the average value of current and voltage in order to estimate the losses and the efficiency of the converter. They will learn how to select the best components constituting of the converter.

18 hours of lectures, 3 hours of tutorials, 3hours of practical works

At the end of this course, students will be able to:
- Understand and design simple DC - DC converter
- Understand the main control strategies (PWM, hysteresis)
- Understand the technological aspects of electronic converter design

Power Electronics - 10th edition by Guy Séguier, Technical Articles for Engineers

Thermodynamique de premier cycle, bases de la mécanique de milieux continus, d'électromagnétisme et de thermique

Le cours de physique de Feynan vol Mécanique 2, chapitres 44 et 45

E. Fermi, Thermodynamics, Dover

D. L. Goodstein, States of Matter, Dover, chapitre 1 pp. 1-26

J. Lemaitre, J.L. Chaboche, Mécanique des matériaux solides, Dunod

Bases de programmation et de mathématique

• Formulation d'un problème d'optimisation, application des méthodes d'optimisation.
• Optimisation système des systèmes d'énergie.
• Optimisation avec et sans gradient.  Optimisation stochastique (recuit simulé, génétique, évolution différentielle).
• Les principes d'optimisation multiobjectifs (front de pareto, calcul classique, NSGA).
• Éco-optimisation : cette partie du cours aborde les notions d'impacts environnementaux, de ressources renouvelables. et non-renouvelables, analyse sur cycle de vie, éco-conception et enfin éco-optimisation. Cette dernière notion est relative à l'optimisation du dimensionnement des systèmes électrique sur la base des performances classique mais aussi des performances environnementales. Des exemples et cas d'études sont détaillés.

savoir mettre en place une procédure d'optimisation, utiliser les méthodes de résolution, éco-conception.

18h de cours magistraux et 8h de TD  numériques

Analyser, concevoir et optimiser des systèmes complexes;

Méthodes numériques et optimisation - Théorie et pratique pour l'ingénieur  Corriou Jean-Pierre

Éléments généraux d'électrotechniques (systèmes triphasés, puissances, machine synchrone).

.Présentation et organisation du secteur de l'énergie électrique (production, transport et distribution), architecture des réseaux de transport et distribution. Modélisation des éléments du réseau : lignes, câbles, transformateurs, charges et générateurs.
Méthode de calcul des transits de puissance (Load-flow) dans les réseaux maillés.
Réglage de tension dans les réseaux de transport et distribution.
Réglage de fréquence sur un réseau AC

choisir le bon niveau de modélisation des composants d’un réseau électrique, calculer la répartition des flux de puissance et les variations de tension dans les réseaux de transport et distribution. Déterminer l’impact des déséquilibres entre production et consommation sur la fréquence du réseau, et les échanges aux frontières.

21h de cours et 3h de TD

• Analyser le comportement global du système électrique, avec ses dimensions scientifiques,technologiques et sociétales.
• Estimer les valeurs de paramètres pour un modèle de composants de réseau à partir de données géométriques et des matériaux. Définir les critères de performance du modèle
• Simuler, réaliser et valider une partie d’un système électrique.

polycopié et notes de cours.

Partial derivatives, vector operators, first- and second-order differential equations, elements of linear algebra

Examples of boundary value problems in physics (electromagnetism, heat transfer, etc.); Maxwell's equations, heat diffusion equation...
Finite differences: classical schemes for diffusion, FDTD
Finite elements: variational formulation, nodal elements, edge elements. Application to static problems
Application of the finite element method to solving an academic problem
Magnetodynamics and waves, numerical modeling of time-dependent problems
Integral equations for 2D electrostatic problems
Numerical modeling of multiphysics couplings: from material to system (piezoelectricity, magneto-mechanical problems, vibroacoustics...). Solving linear and nonlinear problems

Give an overview of main numerical methods applied to electromagnetics and other physical phenomena.

• Academic courses (18h) ;
•  Exercices and application of numerical modeling using a commercial software tool, and implementation of course concepts in appropriate tools (6h)

• Knowledge of the main concepts related to the discretization of Maxwell's equations for the design of electromagnetic systems. 
• Ability to implement appropriate numerical methods and use electromagnetic simulation tools.

M.N.O SADIKU, Numerical Methods in Electromagnetics, 2nd edition, CRC Press, 2001.

MATLAB or Python programming language, Basics of linear algebra and probability

• Lecture 1: introduction to optimization
  • Lecture 2: Gradient-based algorithms for unconstrained problems
  • Lecture 3: Gradient-based algorithms for constrained problems
  • Lecture 4: Global optimization
  • Lecture 5: Multiobjective optimization
  • Lecture 6: Robust Optimization 
• Practical session 1: Optimal power flow of an electrical grid • Practical session 2: Optimization of an electromagnetic device

• Formulate a standard optimization problem in electrical engineering (objectives & constraints).  
• Apply appropriate optimization algorithms to different cases (single / multi-objective, unconstrained / constrained optimization, robust optimization)

• Lectures : 6 x 3h
• Practical sessions : 2 x 3h

• Formulate an optimization problem
• Apply appropriate algorithms
• Analyze and interpret optimized results

Bibliographie : 
• Nocedal, J., & Wright, S. J. (2006). Numerical optimization. In P. Glynn & S. M. Robinson (Eds.), Springer Series in Operations Research. Springer. https://doi.org/10.1201/b19115-11
• Ehrgott, M. (2005). Multicriteria optimization: Second edition. Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/3-540-27659-9
• Bramerdorfer, G., Tapia, J. A., Pyrhönen, J. J., & Cavagnino, A. (2018). Modern Electrical Machine Design Optimization: Techniques, Trends, and Best Practices. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65(10), 7672–7684.
• Acar, E., Bayrak, G., Jung, Y., Lee, I., Ramu, P., & Ravichandran, S. S. (2021). Modeling, analysis, and optimization under uncertainties: a review. In Structural and Multidisciplinary Optimization (Vol. 64, Issue 5). Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/s00158-021-03026-7

General elements of electrical engineering (three-phase systems, power, synchronous machines).

Presentation and organisation of the electrical energy sector (generation, transmission and distribution), transmission and distribution network architecture. Modelling of network components: lines, cables, transformers, loads and generators.
Method for calculating power transits (load flow) in meshed networks.
Voltage control in transmission and distribution networks.
Frequency control on an AC network.

choosing the right level of modelling for electrical network components, calculating power flow distribution and voltage variations in transmission and distribution networks. Determine the impact of imbalances between production and consumption on grid frequency and cross-border exchanges.

Lectures: 21h 

Tutorials :  3h

• Analyse the overall behaviour of the electrical system, including its scientific, technological and societal dimensions.
• Estimate parameter values for a network component model based on geometric data and materials. Define the model's performance criteria for a given problem and evaluate quality of the approximation achieved.
• Simulate, compute and validate part of an electrical system.

handouts and lecture notes.

Éléments de base sur le fonctionnement des réseaux électriques

1- La transformation du secteur électrique (9h de cours) : modèles économique liés à la transformation de cette industrie. Objectifs d’une libéralisation et ses conséquences. La problématique de la tarification de l’utilisation des réseaux (TURPE)

2- L’organisation des marchés électriques (9h de cours) : les séquences de marchés (des marchés de gros aux marchés J-1 et intraday). La problématique des investissements et les marchés de capacité, les mécanismes d’ajustement (équilibrage et congestions), les marchés d’effacement, …

3- L’organisation économique et technique du réseau de gaz (3h de cours). modèles économique liés à la transformation de cette industrie. Objectifs d’une libéralisation et ses conséquences. La problématique de la tarification de l’utilisation des réseaux

Ce cours vise à présenter la structuration des marchés électriques dans un secteur qui est passé d’une structure monopolistique (un seul acteur pour la production, le transport, la distribution, et la fourniture) à une structure libéralisée avec des activités concurrentielle (la production et la fourniture) et des activités en monopole (la gestion des réseaux électriques). L’organisation des marchés électriques vise à permettre le respect fondamental de l’équilibre instantané entre l’offre et la demande qui est nécessaire pour garantir la sûreté du système. Ce cours traitera aussi des marchés du gaz.

21h cours Magistraux

• être capable de comprendre et interpréter une réglementation liée aux marchés électriques
• être capable de valoriser un moyen de production (ou de stockage) sur les marchés électriques
• être capable de comprendre la construction d'une stratégie d'achat d'énergie électrique.

Hansen JP, J. Percebois (2019): Energie, Economie et Politique, Deboeck Superieur.

Glachant Joskow Pollitt (2025) Handbook on Electricity Regulation, Edward Elgard.

Glachant Joskow Pollitt (2025) Handbook on Electricity Markets, Edward Elgard.

Connaissance du fonctionnement et du réglage des réseaux électriques, modélisation de la machine synchrone en régime transitoire.

• Stabilité transitoire des réseaux électriques.
• Bureau d’étude sur la stabilité transitoire
• Généralités sur les perturbations, et la protection
• Calcul du courant de défaut 
• Étude de cas 
• Impact des EnRs sur les réseaux et leur protection.

comprendre les notions de stabilité transitoire des systèmes électriques, la modélisation pour les études de stabilité transitoire, la simulation d'un groupe connecté au réseau
connaitre les perturbations affectant les réseaux électriques, l'impact de défauts  sur le réseau; savoir calculer les courants de défauts, simuler un réseau en défaut, comprendre le rôle d'un système de protection et les stratégies de protection.

Ce module comporte 7 séances de 3h face à face (6 cours et 1 TD). En plus, les étudiants auront des devoirs à faire à la maison, qui seront notés.

Compétences acquises à l'issue de cet enseignement :

• Modélisation, simulation des réseaux en régime transitoire, calcul analytique des courants de défauts, réglage des protections

• Prabha S. Kundur, Om P. Malik, "Power System Stability and Control", 2nd Edition, 2022 McGraw Hill
• Paul M. Anderson, Charles Henville, Rasheek Rifaat, Brian Johnson, Sakis Meliopoulos, "Power System Protection", 2nd Edition, 2022 Wiley

avoir le goût pour la physique, vouloir découvrir un domaine de recherche.

L'arc électrique :
La physique de l’arc électrique :
o notion de plasma
o modèle d’arc électrique
o phénomènes dans la colonne d’arc et aux électrodes
o grandeurs caractéristiques
o les différents moyens d’amorçage
­
L’arc électrique en tant que défaut :
o Arc série/arc parallèle
o applications/systèmes concernés
o exemple de la montée en tension dans le milieu aéronautique : influence de la pression (détection, arc tracking)
­
La coupure :
o Problématique/contexte
o les dispositifs existants (disjoncteur, contacteur,…)
o études détaillée de 2 systèmes : un disjoncteur et un contacteur

Décharges électriques
­
Physique des décharges :
o Phénomènes élémentaires : modèle collisionnel, source d’électrons-germe
o Loi de Paschen
o Caractérisation électrique - Modèle de la décharge couronne
o Streamer – Modélisation et approche mathématique
o Décharges partielles
o Détection de décharges électriques : méthodes et cas pratiques
­ Propriétés physicochimiques des décharges électriques à pression atmosphérique :
o Produits de décharges, transfert de matière
o Interaction décharge électrique / isolant

Électrostatique et fiabilité des diélectriques

­Phénomènes à champ élevé :
o Bandes d’énergie
o Charges électriques dans les isolants réels, considérations énergétiques
­
Claquage électronique et thermique
­
Charge d’espace :
o Injection de charge
o Techniques de mesure
­
Vieillissement :
o Transferts d’énergie
o Volumes libres, exemple.

appréhender les notions d'arc électrques  (modélisation macroscopique, coupure en DC, arc de défaut, disjoncteur, contacteur, influence de la pression ...)  des phénomènes de  décharges électriques (loi de Paschen, point triple, streamer, propriétés physico-chimiques, interaction avec isolant, ...) et des phénomènes de claquage électronique (charge d'espace, vieillissement).

Arc électrique
­
La physique de l’arc électrique :
o notion de plasma
o modèle d’arc électrique
o phénomènes dans la colonne d’arc et aux électrodes
o grandeurs caractéristiques
o les différents moyens d’amorçage
­
L’arc électrique en tant que défaut :
o Arc série/arc parallèle
o applications/systèmes concernés
o exemple de la montée en tension dans le milieu aéronautique : influence de la pression (détection, arc tracking)
­
La coupure :
o Problématique/contexte
o les dispositifs existants (disjoncteur, contacteur,…)
o études détaillée de 2 systèmes : un disjoncteur et un contacteur

Décharges électriques
­
Physique des décharges :
o Phénomènes élémentaires : modèle collisionnel, source d’électrons-germe
o Loi de Paschen
o Caractérisation électrique - Modèle de la décharge couronne
o Streamer – Modélisation et approche mathématique
o Décharges partielles
o Détection de décharges électriques : méthodes et cas pratiques
­ Propriétés physicochimiques des décharges électriques à pression

Savoir analyser un système complexe, comprendre les enjeux (contexte économique, environnemental et technique), 

Approfondir un domaine en lien avec une activité de recherche, 

Savoir modéliser un système complexe, faire un lien entre connaissance académiques et technologie utilisée dans l'industrie.

Physique des plasma-Cours et Application » J.M. Rax, Dunod 2005

« L’arc électrique et ses applications – Tome 1 : étude physique de l’arc » Serge Vacquié, éditions du CNRS 1984

« Plasmas froids de décharge - Propriétés électriques » A-M. Pointu, J. Perrin, J. Jolly, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 2 830 – 1-21

« Gaz isolants » P. Ségur, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 2 530 ? 1-33

J.M. Meek et J.D. Craggs, Electrical breakdown of gases, Wiley Science, 1978

« Les diélectriques » R. Coelho, B. Aladenize, Hermès 1993

“Electrical degradation and breakdown

• stockage électrochimique (batterie)
• intégration du stockage dans les réseaux électriques, valorisation
• stockage de gaz
• valorisation d'une batterie stationnaire pour un service au système électrique

Ce cours présentera les enjeux techno-économiques du stockage et les technologies associées à deux vecteurs énergétiques (électricité, gaz). Des cas d’usage seront présentés. Le stockage est au cœur de l’évolution des réseaux énergétiques dans le contexte d’une plus grande intégration de sources renouvelables, et avec un couplage plus fort des vecteurs énergétiques.

18h de cours et 3h de TD

Être capable d'identifier les solutions de stockage adaptées à un problème/situation donné(e). Connaitre les facteurs dimensionnants d'un système de stockage.

• Rapport de l'IRENA, "Electricity storage and renewables: costs and markets to 2030", https://www.irena.org/costs/Electricity-Storage
  "Le stockage électrique : un défi pour la transition énergétique", EDF, Ed. Lavoisier

fonctionnement des réseaux électriques, bases en électronique de puissance

• Introduction, guerre des courants, historique des réseaux à courant continu, types de valves (vapeur de mercure, thyristor, IGBT), vocabulaire, topologies de réseaux HVDC;
• Éléments d’une station de conversion HVDC-LCC, éléments d’une station de convertisseur HVDC-VSC (2-level VSC, MMC), comparaison HVDC-LCC et HVDC VSC, vers un supergrid ?
• Commande réseaux HVDC, interaction of réseau HVAC, contribution des convertisseurs aux services système AC
• TP sur les simulations HVDC. Cette séance de simulation par Matlab/ Simulink montrera les services que peut rendre une ligne HVDC point à point à un réseau de transport maillé AC.
• Défauts sur les réseaux HVDC, comportement des réseaux DC (convertisseurs de puissance, lignes) en cas de défaut, simulations de défaut, généralités et principes de protection HVDC
• Cycle de vie des systèmes HVDC, stratégies de maintenance et les retours d'expérience

Les réseaux électriques à courant alternatif (AC) ont pris le dessus sur ceux à courant continu (DC) depuis la bataille des courants de la fin XIXème siècle. Mais ces derniers n’ont jamais totalement disparu et sont même de plus en plus plébiscités pour de multiples applications en haute tension (HVDC). C’est le cas notamment du transport de grande puissance sur de longue distances et le raccordement de parcs éoliens offshores. La solution HVDC s’affranchit des contraintes techniques de l’AC et permet une meilleure commande des flux de puissance.
La plupart des réseaux HVDC actuellement existants sont point-à-point. Mais dans le futur, ils pourront s’interconnecter entre eux pour former un réseau maillé à l’échelle continentale, souvent appelé supergrid. La gestion d’un tel réseau coexistant avec le réseau AC historique pose de nombreux défis, notamment la commande de système à faible inertie. En effet, cette dernière, traditionnellement fournie par les alternateurs synchrones, se réduit avec l’augmentation de la part de convertisseurs qui interfacent les sources d’énergies renouvelables avec le réseau.
Ce cours a pour l’objectif de se familiariser avec les réseaux HVDC, depuis la structure des stations de conversion jusqu’à la commande des réseaux et leur protection.

16,5 h de cours

3h de TD

Savoir effectuer une étude coût-bénéfice
Maîtriser la commande de convertisseurs à source de tension (VSC) dont les convertisseurs modulaires multi-niveau (MMC).
Maîtriser les lois de commande des réseaux DC, et leur interaction avec les réseaux AC
Maîtriser les solutions de protection des réseaux HVDC
Maîtriser le cycle des convertisseurs modulaires stratégies de maintenance

Bases d'électrotechniques

Avionique :

• introduction à l'électrification dans l'aviation
• structure des réseaux d'énergie dans un avion
• éléments de dimensionnement, comportement

Automobile :

• introduction à l'électrification dans l'automobile
• structure du réseau électrique dans une voiture
• éléments de dimensionnement, comportement

Marine :

• introduction à l'électrification dans la marine
• structure du réseau électrique dans un voiture
• éléments de dimensionnement, comportement

Ce cours aborde le sujet des infrastructures électriques dans les systèmes embarqués : aviation, automobile, marine.
L'électrification croissante dans ces systèmes embarqués amène à la conception de réseaux embarqués avec des contraintes fortes de disponibilité et dimensionnement.
Malgré une nature différente par rapport aux réseaux électriques terrestres, on retrouve des problématiques d'équilibre offre-demande, de chute de tension, de congestion, et de perturbations.

Être en mesure de travailler sur un projet de dimensionnement d'une réseau embarqués

Commande des Systèmes Dynamiques

• Rappel de notions en automatique
• Modélisation des convertisseurs d’électronique de puissance
• Commande PI
• Commande Linéaire quadratique

Ce cours porte sur les convertisseurs d’électronique de puissance, qui interfacent les réseaux AC et DC ou raccordent des générateurs à sources d’énergie renouvelables aux réseaux AC. Des notions de base en automatique seront rappelées, qui seront utilisées ensuite dans la modélisation des convertisseurs de source de tension. Pour la commande de ceux derniers, seront abordées la commande classique « grid-following » et la nouvelle approche « grid-forming » indispensable pour un réseau à faible inertie;

Cours et Travaux dirigés avec des applications issues du domaine de l’énergie et des réseaux électriques

Cette UE  permettra d’approfondir les compétences suivantes

• Résoudre le problème avec une pratique de l'approximation, de la simulation et de l'expérimentation
• Spécifier, concevoir, réaliser et valider tout ou partie d'un système complexe
•  Avoir approfondi un domaine ou une discipline relative aux sciences fondamentales ou aux sciences de l'ingénieur.

Khalil, H.K., “Nonlinear Systems”, 3ème edition, Pearson Higher Education, 2002.
Kailath, T., “Linear Systems”, Ed. Prentice Hall, 1980.
Friedland, B., “Control System Design”, Ed. Mc Graw-Hill, 1986.
de Larminat, Ph., “Commande des Systèmes Linéaires“, Ed. Hermès, 1993.
Soderstrom, T., et Stoica, P., “System Identification”, Prentice Hall, 1989.
Ljung, L., “System Identification – theory for the user”, 2nd ed, PTR Prentice Hall, 1999.

• connaissances mathématiques de base
• connaissances de la physique macroscopique
• énergétique : 1er et 2nd principes de la thermodynamique et leurs conséquences
• transferts thermiques : rayonnement, convection et conduction
• optique géométrique, ondes et photons

1ère partie : physique et technique des chaînes de conversion de l’énergie
Nous introduisons les concepts essentiels de construction de chaîne de l’énergie, leurs principes de fonctionnement, leur efficacité et leur ordre de grandeur, leurs inconvénients et leurs limites. Nous discutons également les ordres de grandeurs typiques d’usage dans les transports, l'industrie, etc... Notons développerons les sujets (solaire autre que PV, énergie mécanique, chaleur, transfert et stockage thermique…)
2ème partie : scénarios énergétiques et enjeux sociétaux
Nous discutons les consommations d’énergie historiques et actuels des sociétés ainsi que les divers scenarios de prospectives à l’échelle mondiale et de la France (AIE, Ademe, RTE, NegaWatt). Nous aborderons les aspects sociétaux liés aux usages et à l’accès à l’énergie ainsi que les enjeux territoriaux spécifiques à chaque option.

MacKay, Sustainable energy : without the hot air , 2015, https://www.withouthotair.com/
Jeandel et Mosseri , L’énergie à découvert , CNRS éditions
Jaffe et Taylor, The Physics of Energy , Cambridge University Press , 2018

Basic knowledge of electrical engineering (three-phase systems, power, synchronous machines).

- Renewable energy sources (photovoltaic, wind, ...): Modelling and operation.
- Association of renewable energy sources with grid-tied power converters
- Integration of renewable energy sources into the electricity grid (challenges and solutions)
- Technical, economic, environmental, and societal dimensions
- Theoretical and industrial perspectives

Learn about the operation and integration of renewable energy sources into electrical grids.

Lectures and applied exercises during class sessions. Lecturers from CentraleSupélec and RTE (Réseau de Transport d’Électricité, the French electricity transmission system operator).

D. Borge-Diez, E. Rosales-Asensio, "Sustainable Energy Planning in Smart Grids", Elsevier;
V. Smil, "Energy Transitions: Global and National Perspectives", Praeger

il est souhaitable d'avoir des connaissances en électromagnétisme et en électonique de puissance

• Concepts de base sur les techniques de transmission d'énergie à distance (HF et BF)
• Principe du transfert sans contact par induction : coupleur, compensation et rendement
• Application au domaine automobile (recharge statique et dynamique)
• Méthodes et modèles de dimensionnement
• Électronique de puissance adaptée au système de transfert d'énergie sans contact
• Étude du rayonnement électromagnétique
• Bureau d'étude : Modélisation et validation expérimentale d'un système de recharge sans contact par induction.

Les techniques de recharge sans contact trouvent un intérêt dans différents domaines: systèmes de communication (téléphone portable, tablette,..), médical (antenne implantée, stimulateur cardiaque ou pacemaker, ...) et automobile (recharge de batteries).

 Ce cours vise à proposer des méthodologies pour le dimensionnement d’un système de recharge sans contact par couplage inductif de la source à la charge. Les aspects fonctionnels liés au système de recharge seront abordés ainsi que la problématique de l’exposition au champ magnétique généré par le coupleur électromagnétique. L’approche de modélisation envisagée doit pouvoir prendre en compte simultanément les différents aspects du problème posé (formes géométriques du coupleur, nature des matériaux, blindage, désalignement, environnement, nature des convertisseurs de puissance, …). La méthodologie proposée s’appuiera sur la combinaison d'outils de modélisation électromagnétique avec un outil de type circuit.

• 18h de cours 
• 6h de TP

• Identifier, formuler et analyser un problème dans ses dimensions scientifiques et économiques .
• Utiliser et développer les modèles adaptés, choisir la bonne échelle de modélisation et les hypothèses simplificatrices pertinentes pour traiter le problème
• Résoudre le problème avec une pratique de l'approximation, de la simulation et de l'expérimentation.

avoir le goût pour la physique, vouloir découvrir un domaine de recherche.

L'arc électrique :
La physique de l’arc électrique :
o notion de plasma
o modèle d’arc électrique
o phénomènes dans la colonne d’arc et aux électrodes
o grandeurs caractéristiques
o les différents moyens d’amorçage
­
L’arc électrique en tant que défaut :
o Arc série/arc parallèle
o applications/systèmes concernés
o exemple de la montée en tension dans le milieu aéronautique : influence de la pression (détection, arc tracking)
­
La coupure :
o Problématique/contexte
o les dispositifs existants (disjoncteur, contacteur,…)
o études détaillée de 2 systèmes : un disjoncteur et un contacteur

Décharges électriques
­
Physique des décharges :
o Phénomènes élémentaires : modèle collisionnel, source d’électrons-germe
o Loi de Paschen
o Caractérisation électrique - Modèle de la décharge couronne
o Streamer – Modélisation et approche mathématique
o Décharges partielles
o Détection de décharges électriques : méthodes et cas pratiques
­ Propriétés physicochimiques des décharges électriques à pression atmosphérique :
o Produits de décharges, transfert de matière
o Interaction décharge électrique / isolant

Électrostatique et fiabilité des diélectriques

­Phénomènes à champ élevé :
o Bandes d’énergie
o Charges électriques dans les isolants réels, considérations énergétiques
­
Claquage électronique et thermique
­
Charge d’espace :
o Injection de charge
o Techniques de mesure
­
Vieillissement :
o Transferts d’énergie
o Volumes libres, exemple.

appréhender les notions d'arc électrques  (modélisation macroscopique, coupure en DC, arc de défaut, disjoncteur, contacteur, influence de la pression ...)  des phénomènes de  décharges électriques (loi de Paschen, point triple, streamer, propriétés physico-chimiques, interaction avec isolant, ...) et des phénomènes de claquage électronique (charge d'espace, vieillissement).

Arc électrique
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La physique de l’arc électrique :
o notion de plasma
o modèle d’arc électrique
o phénomènes dans la colonne d’arc et aux électrodes
o grandeurs caractéristiques
o les différents moyens d’amorçage
­
L’arc électrique en tant que défaut :
o Arc série/arc parallèle
o applications/systèmes concernés
o exemple de la montée en tension dans le milieu aéronautique : influence de la pression (détection, arc tracking)
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La coupure :
o Problématique/contexte
o les dispositifs existants (disjoncteur, contacteur,…)
o études détaillée de 2 systèmes : un disjoncteur et un contacteur

Décharges électriques
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Physique des décharges :
o Phénomènes élémentaires : modèle collisionnel, source d’électrons-germe
o Loi de Paschen
o Caractérisation électrique - Modèle de la décharge couronne
o Streamer – Modélisation et approche mathématique
o Décharges partielles
o Détection de décharges électriques : méthodes et cas pratiques
­ Propriétés physicochimiques des décharges électriques à pression

Savoir analyser un système complexe, comprendre les enjeux (contexte économique, environnemental et technique), 

Approfondir un domaine en lien avec une activité de recherche, 

Savoir modéliser un système complexe, faire un lien entre connaissance académiques et technologie utilisée dans l'industrie.

Physique des plasma-Cours et Application » J.M. Rax, Dunod 2005

« L’arc électrique et ses applications – Tome 1 : étude physique de l’arc » Serge Vacquié, éditions du CNRS 1984

« Plasmas froids de décharge - Propriétés électriques » A-M. Pointu, J. Perrin, J. Jolly, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 2 830 – 1-21

« Gaz isolants » P. Ségur, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 2 530 ? 1-33

J.M. Meek et J.D. Craggs, Electrical breakdown of gases, Wiley Science, 1978

« Les diélectriques » R. Coelho, B. Aladenize, Hermès 1993

“Electrical degradation and breakdown

Mathématiques pour l'Ingénieur, programmation, connaissance de base d’électrotechnique

Python pour la science de données

Généralités et démarche de ML 

Apprentissage supervisé (régressions, KNN, arbres de décision, etc.) et non-supervisé (réduction de dimension, clustering)

Série temporelle, introduction au deep learning

Etude de cas sur les applications de ML à l'énergie électrique

Comprendre les bases de Machine learning (ML)/intelligence articielle (IA) et la démarche, savoir traiter et analyser une base de données, implémenter les techniques de ML sur des cas d'applications simples dans le domaine de l'énergie électrique.

12h de cours et 12h de TD

programmation sous Python, traitement et analyse de données, machine learning

Ian H. Witten, Eibe Frank, Mark A. Hall , "Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques", 3rd edition, 2011 Elsevier 
https://scikit-learn.org/stable/

Solides connaissances en : Physique du solide Physique des semi-conducteurs Physique des composants électroniques et optroniques Alternativement, avoir suivi l'U.E « Electronique des Solides » de partie A.
Physique des semi-conducteurs
Physique des composants électroniques et optroniques

Alternativement, avoir suivi l'U.E « Electronique des Solides » de partie A

Chap I - Introduction Générale : énergie solaire, conversion PV, marché photovoltaïque, histoire du PV
Chap II - Fonctionnement et principe PV : rappels sur notions physique des semi-conducteurs et de la jonction
PN, puis physique de la cellule solaire
Chap III - Technologie PV : présentation des différentes filières (matériaux) du photovoltaïque (technologies
Silicium, couches.

Silicium, couches minces, multijonction et technologies émergentes et nouveaux concept

Chap IV - Système PV et injection sur le réseaux: module et système PV, dimensionnement, usage.

Vision d’ensemble de ce qui se fait sur l’énergie solaire photovoltaïque : du dispositif (physique de la cellule solaire
et les différents matériaux/technologie utilisée) au système (dimensionnement et installation), en passant par le
marché mondial.

CM : 21H (7 séances de 3h) TP 1: 3H (sur utilisation d’un logiciel de gisement solaire) TP 2: 4H (sur mesure du productible PV en conditions réelles en extérieur).

Physics of semiconductor devices, S. M. Sze - Physique des semiconducteurs et des composants, H. Matthieu - Optoélectronique, E. Rosencher - The physics of solar cell, J. Nelson - Physics of Solar Cells, P. Wurfel.

•Cours introductif d’électrochimie générale.
•Eléments de génie électrochimique.

L'objectif est de passer de l'électrochimie générale au rôle des générateurs électrochimiques dans la transition énergétique. On s'attachera à comprendre le principe de fonctionnement des batteries, des piles hydrogène/oxygène, avec la perspective de dimensionner des solutions de stockage de l’énergie et d'appréhender les pistes d'amélioration.

1. Généralités sur les générateurs électrochimiques
2. Rappels de thermodynamique et de cinétique
3. Les batteries (lithium et post-lithium)
4. Piles à combustibles
5. Procédés de production et économie de l'hydrogène
6. Exercices d’application

Working on a research project while fully immersed in a research laboratory

Atteindre un niveau équivalent B2.

Conferences and round tables on energy transition

Basic knowledge of electrical engineering (three-phase systems, power, synchronous machines).

- Renewable energy sources (photovoltaic, wind, ...): Modelling and operation.
- Association of renewable energy sources with grid-tied power converters
- Integration of renewable energy sources into the electricity grid (challenges and solutions)
- Technical, economic, environmental, and societal dimensions
- Theoretical and industrial perspectives

Learn about the operation and integration of renewable energy sources into electrical grids.

Lectures and applied exercises during class sessions. Lecturers from CentraleSupélec and RTE (Réseau de Transport d’Électricité, the French electricity transmission system operator).

D. Borge-Diez, E. Rosales-Asensio, "Sustainable Energy Planning in Smart Grids", Elsevier;
V. Smil, "Energy Transitions: Global and National Perspectives", Praeger

Power Electronics lesson

The course program is divided into 3-hour sessions: 
Sessions 1-2 : Multilelevel inverters, interleaved structures. Loss analysis in inverters.
Sessions 3-4 : Fundamentals of rectifiers and power factor correction (PFC, active filtering). Simulation labwork
Sessions 5-6 : Soft-switching, Dual Active Bridge, LLC converter
Sessions 7-8 : Technologies for power electronics : integration, magnetics, thermal, driver

This course aims firstly to master the systems and technologies of direct-alternating energy conversion (DC/AC) which are becoming increasingly important in current electrical systems, whether for embedded applications, in isolated micro-grids, or in public electricity networks. Different conversion structures are presented in the context of the implementation of current technological objects. In a second step, new structures of AC/DC or DC/DC converter are presented, with the aim of meeting more restrictive specifications, relating either to the increase of the on-board power, or to a desire to increase the efficiency of the systems. Finally, more elaborate technological elements concerning the implementation and integration of converters are introduced so that the trained students are capable of fully realizing a converter while knowing the different electro-thermomechanical constraints.

Lesson : 15h
Tutorials : 6h
Simulation practical work : 3h

At the end of this course, students will be able to:
- Understand and design a converter for DC/AC and AC/DC applications
- Understand and design converters with advanced structures, meeting more stringent efficiency and power requirements
- Understand the technological aspects of electronic converter integration
- Use numerical simulation and perform experiments on DC/AC conversion systems

Power Electronics - 10th edition by Guy Séguier, Technical Articles for Engineers

Power systems basics, power electronics

Sessions 1-2: Introduction to disturbances; 
Session 3: Fault current calculation
Session 4: Case study
Session 5: Introduction to DC power sytsems
Session 6: Ancillary services + Practical work
Session 7: Practical work
Session 8: DC system protection

The aim of this course is :

1. To understand the impact of faults on the AC power systems
2. To learn how to calculate fault currents and simulate a faulted network
3. To understand the role of a protection system and protection strategies
4. To learn the operation and protection of DC power system
5. To learn the interaction and especially the ancillary services between AC and DC systems
6. To simulate an AC/DC hybrid system

Lectures: 16.5h
Tutorial and numerical simulations: 7.5h

Power system stability and control, by P. Kundur
Paul M. Anderson, Charles Henville, Rasheek Rifaat, Brian Johnson, Sakis Meliopoulos, "Power System Protection", 2nd Edition, 2022 Wiley
Dragan Jovcic, “High Voltage Direct Current Transmission: Converters, Systems and DC Grids”, 2019 John Wiley & Sons Ltd

previous lessons from the master

The course program is divided into 3-hour sessions: 
Sessions 1-2 : Control of electrical systems
Sessions 3-4 : Numerical labwork : battery charging with photovoltaic and wind turbine connection
Sessions 5-6-7 : Final project : sizing of a photovoltaic power plant
Session 8 : Final project : writting report and defense

The aim of this lesson is to adopt a systems approach to sizing electrical systems. Using concepts relating to the control of electrical systems, a project is finally proposed during which the students have to size a photovoltaic installation.

Lesson : 6h
Simulation practical work : 18h

At the end of this course, students will be able to:
- Understand the issues involved in the design of an electric vehicle
- Know how to set up the control of an electrical system
- Propose an approach for sizing a photovoltaic power plant
- Take a critical and realistic approach to the results obtained.

Electrical Networks, Power electronics

Session 1-2: Dynamic modelling of synchronous machine
Session 3-4: Simulations on voltage and frequency stability
Session 5-6: Stability of inverters 
Session 7-8: Grid Following and Grid Forming Control

The aim of this course is :

1. to learn about the rotor angle stability with theoretical lectures and exercizes
2. to experiment the voltage and frequency stability with numerical simulations
3. to learn about the stability of inverters connected to the grid
4. to experiment with both grid following and grid forming control

Lectures : 9h
Exercises and simulations : 15h

Power system stability and control, by P. Kundur

Power electronics

Fundamental concepts of electromagnetic compatibility (EMC): sources, coupling mechanisms, victims, and standards. 

Analysis of disturbance sources and propagation paths. 

EMC modeling of components. 

Time-domain and frequency-domain modeling approaches at high frequencies. 

EMC filtering and shielding techniques.
Laboratory work: design and evaluation of near-field shielding using an electromagnetic simulation software tool.

This course aims to develop students’ understanding of electromagnetic issues in power conversion systems. It provides a fundamental introduction to electromagnetic compatibility (EMC) in power electronics, with a particular focus on the analysis of conducted and radiated electromagnetic noise generated by power converters. The course also examines mitigation techniques and design strategies to ensure compliance with relevant EMC standards.

15 hours of lectures, 3 hours of tutorials and 6 hours of practical work

Use and develop appropriate models, choose the right modeling scale and relevant simplifying assumptions to address the problem

• R C. R. Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility”, A John Wiley & Sons, Inc, Wiley-Interscience, New York, 2006