Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La demande pour dispositifs électroniques plus rapides et efficaces n'a jamais été aussi intense. Malgré les avancements continus, les circuits intégrés à base de silicium atteignent leurs limites en matière de vitesse, de densité de stockage de données et de consommation d'énergie, suscitant un intérêt croissant pour les technologies alternatives émergentes. Les commutateurs résistifs, caractérisés par l'effet mémoire sur leur résistance en réponse à un stimulus externe, sont une technologie émergente qui pourrait être incorporée aux futures générations de circuits intégrés pour le traitement et le stockage des données. Leur changement de résistance peut être utilisé pour conserver des données en mémoires non volatiles ainsi qu'en circuits et en réseaux neuronaux implémentés directement sur puce. En plus, les commutateurs résistifs présentent une consommation d'énergie plus basse et une vitesse d'opération plus élevée comparé aux mémoires non volatiles traditionnelles, ce qui pourrait contribuer significativement aux performances des centres des données, serveurs réseau et infrastructures nuagiques. Malgré le potentiel significatif de ces dispositifs, leur incorporation dans les circuits intégrés est encore un défi, surtout en raison des problèmes de fabrication à grande échelle des matrices à haute densité de commutateurs résistifs. Ces défis sont reliés principalement à leur performance et au choix de matériel, ce dernier possédant un rôle central dans le développement des commutateurs résistifs. Le mécanisme et le comportement d'un commutateur résistif, ainsi que ses applications, sont déterminés par le matériel qui compose la couche active. Cette thèse révise les derniers avancements dans le domaine de commutateurs résistifs ainsi que leurs limitations, et propose l'emploi de verres complexes aux chalcogénures pour la fabrication des commutateurs résistifs comme une solution potentielle aux désavantages actuels, à travers de leur tension d'opération et consommation d'énergie plus basses et leur extensibilité. Les verres de chalcogénures présentent une structure électronique unique et conduction ionique qui peuvent être exploitées pour la fabrication des commutateurs résistifs. Dans cette thèse, on étudie un commutateur résistif qui fonctionne selon le mécanisme de métallisation électrochimique, dont des ions d'argent migrent dans un verre de chalcogénure, en changeant sa résistance. Dans la première section de ce travail, on explore la mobilité ionique de l'argent dans la composition binaire de chalcogénure As₂S₃ avec les microscopies Raman et conductive. On démontre que l'énergie thermique est capable de promouvoir l'intégration des ions d'argent à la matrice vitreuse de chalcogénure, apportant des changements microstructurels et de son comportement électrique. Dans la deuxième partie de ce travail, on a construit des commutateurs résistifs basés sur un verre riche en tellure qui présente des interactions plus faibles avec les ions d'argent, quand comparés à celle des compositions basées sur soufre. Les commutateurs résistifs présentaient des tensions de commutation aussi basses que 0.15 V et 0.6 V, lorsqu'ils fonctionnaient respectivement en courant continu et en impulsions, et étaient capables de résister à des milliers de cycles de commutation. Ces dispositifs sont utiles en réseaux de neurones artificiels en raison de leur basse tension de commutation intrinsèque et basse consommation d'énergie combinée avec leur capacité d'assumer des états de résistance intermédiaires. En plus, la couche de chalcogénure peut être structurée efficacement par photolithographie traditionnelle et gravure ionique réactive, offrant ainsi une compatibilité avec les procédures de fabrication conventionnelles. Les travaux développés dans cette thèse explorent la microfabrication et l'intégration de nouveaux éléments de circuit qui appartiennent à une nouvelle génération de dispositifs pour la mémoire numérique et de calcul dépendants de matériaux non basés sur silicium, en particulier des commutateurs résistifs. Ces dispositifs sont très prometteurs pour une gamme d'applications, des technologies de mémoire avancées aux plateformes informatiques de pointe. Néanmoins, leur mise en œuvre pratique nécessite une compréhension nuancée de l'interaction complexe entre les matériaux, la conception et les processus de fabrication. Malgré les progrès notables dans le domaine des commutateurs résistifs, il est évident qu'il reste encore une multitude de défis, ce qui justifie des opportunités d'exploration et d'investigation approfondies avant que ces dispositifs puissent être intégrés dans les circuits électroniques contemporains. / The demand for faster, more efficient electronics has never been greater. Despite the continuous progress, silicon-based integrated circuits are reaching their limit regarding the desired advancements in speed, data storage density, and power consumption, sparking a crescent interest in emerging alternative technologies. Resistive switches, characterised by the memory effect of their resistance in response to external stimuli, are an emerging technology that could be incorporated into future generations of integrated circuits for data processing and storage. Their resistance changes can be used to store data in nonvolatile memories, unique circuit designs, and neural networks implemented directly on chip. In addition, resistive switches present lower power consumption and higher speed than traditional nonvolatile memories, which could substantially improve the performance of data centres, network servers, cloud computing, etc. Despite the significative potential of these devices, their incorporation with traditional integrated circuits remains a challenge due to fabrication issues in large-scale manufacturing of high-density arrays of resistive switches. These challenges come mainly from material selection and performance, which also play a pivotal role in developing resistive switches. The mechanism and behaviour of a resistive switch, and ultimately its applications, are determined by the material composing the switching layer. This thesis reviews the latest advances in the field of resistive switches as well as their current limitations and proposes the use of complex chalcogenide glasses in resistive switches as a potential solution to current drawbacks by providing low operating voltages, low power consumption, and scalability. Chalcogenide glasses present unique electronic structures and ionic conduction, which can be exploited in the fabrication of resistive switches. In this thesis, we study a resistive switch based on the electrochemical metallisation mechanism, where silver ions migrate inside the chalcogenide glass, changing its resistance. In the first part of this work, we explore the ionic mobility of silver in the binary chalcogenide As₂S₃ through conductive and Raman microscopies. We demonstrate that thermal energy can promote the integration of silver ions into the chalcogenide glass matrix, changing its microstructure and its electrical behaviour. In the second half of this work, we built resistive switches based on tellurium-rich chalcogenide glasses, which offer less interaction with silver ions when compared to sulphur-based compositions. The resistive switches showed switching voltages as low as 0.15 V and 0.6 V, when operating in DC and pulsed conditions, respectively, and were able to withstand thousands of switching cycles. These devices are useful in artificial neural networks due to their intrinsic low switching voltages and low power consumption combined with their ability to assume intermediate resistance states. Also, the chalcogenide layer can be effectively patterned using well-established photolithography techniques in tandem with reactive ion etching, offering compatibility with conventional fabrication procedures. The work developed in this thesis explores microfabrication and the integration of novel circuit elements, which are integral components of a new generation of memory and computing devices reliant on non-silicon materials, specifically resistive switches. These devices hold substantial promise for a range of applications, from advanced memory technologies to cutting-edge computing platforms. Nevertheless, their practical implementation demands a nuanced understanding of the intricate interplay between materials, design, and fabrication processes. Despite the notable progress in the field of resistive switches, it is evident that there is still a multitude of challenges for enhancement, warranting comprehensive exploration and investigation opportunities before these devices can be integrated into contemporary electronic circuits.

Face à des événements météorologiques violents, un système de distribution électrique peut souffrir de la perte ou de la défaillance d'un ou de plusieurs de ses composants. Ce phénomène est connu sous le nom de contingence de système. Néanmoins, en tirant parti des systèmes de protection, de l'électronique de puissance et de la pénétration des ressources énergétiques décentralisées dans le réseau électrique, un système de distribution électrique a la possibilité d'être reconfiguré en micro-réseaux. Cela permet de résister contre de telles éventualités en gardant au minimum la possibilité d'une interruption de l'alimentation. Poussé par des facteurs techniques, économiques et environnementaux, ainsi que par le déploiement rapide d'un grand nombre de ressources de production décentralisées, le micro-réseau est récemment devenu un concept important dans un système de distribution actif et rapidement reconfigurable. Les micro-réseaux ont la capacité de fonctionner à la fois en mode connecté au réseau et en mode isolé. En raison de cet avantage, le micro-réseau est devenu un élément clé du futur réseau intelligent. Bien que le concept de micro-réseau puisse apporter différents avantages aux services de distribution et aux clients, à savoir une amélioration de l'économie, de l'environnement et de la résilience, il offre toujours un défi au niveau de la planification et la gestion opérationnelle. Les défis de la planification des micro-réseaux proviennent de : 1) la nature intermittente et incertaine des ressources décentralisées et des charges des systèmes distribués, ainsi que l'incertitude relative aux contingences auxquelles le réseau de distribution est confronté, 2) la charge de calcul que la prise en compte des incertitudes du micro-réseau implique, et 3) le grand nombre de compromis entre les différents objectifs d'optimisation possibles du micro-réseau qui doivent être pris en compte dans la phase de planification. Motivée par ces défis, cette recherche propose le développement de nouvelles méthodologies d'analyse et de planification qui peuvent assurer l'efficacité du processus de création du micro-réseau en tenant compte des caractéristiques particulières et de la philosophie opérationnelle du micro-réseau. Dans un premier temps, les modèles d'étude d'écoulement de puissance linéaires et non linéaires sont développés en prenant compte des caractéristiques réelles d'un micro-réseau insulaire équilibré et déséquilibré, c'est-à-dire l'absence de bus infini, la présence d'une fréquence du système variable et de certains générateurs fonctionnant en mode de contrôle « statisme ». Tout d'abord, nous présentons un algorithme non linéaire basé sur la méthode des mailles et la matrice Z[indice bus] pour un micro-réseau opéré en mode « droop ». Cet algorithme sans inversion est particulièrement adapté aux grandes dimensions des systèmes de distribution pratiques comprenant des milliers de nœuds électriques, lorsqu'ils fonctionnent comme des micro-réseaux insulaires. Deuxièmement, un modèle linéaire pour étudier l'écoulement de puissance (LPF) basé sur la méthode des nœuds est proposé. Étant basé sur la méthode des nœuds, le modèle proposé est utilisable dans différents problèmes d'optimisation de micro-réseaux. Des études de cas numériques sont développées et utilisées pour démontrer la précision des modèles proposés et garantir leur application réussie pour modéliser avec précision l'écoulement d'énergie dans un micro-réseau. Cela permet son application dans un processus d'optimisation présenté à l'étape suivante de cette recherche. Dans la deuxième étape, cette recherche propose un modèle d'écoulement de puissance optimal (OPF) pour le fonctionnement optimal des micro-réseaux à courant alternatif, équilibrés et déséquilibrés, avec un contrôle hiérarchique (c'est-à-dire, un contrôle primaire et secondaire). Le modèle proposé a d'abord été formulé comme un modèle non linéaire en nombres entiers (MINLP), puis il a été linéarisé et converti en un modèle linéaire en nombres entiers (MILP) en utilisant le modèle LPF développé dans la première étape de cette recherche. La philosophie de fonctionnement du micro-réseau, en mode connecté au réseau et en mode îloté, a été prise en compte. De plus, plusieurs types de générateurs distribués, y compris ceux qui sont disptachables et non disptachables, ainsi que des ressources de stockage d'énergie, ont été pris en compte dans le modèle MILP proposé. Plusieurs études de cas numériques ont été menées pour valider et prouver l'efficacité et la précision du modèle MILP développé. Les résultats de ces études de cas ont démontré la précision et la supériorité de calcul du modèle MILP proposé Enfin, un cadre de planification pour les micro-réseaux dans les réseaux de distribution actifs est proposé. Ce cadre de planification vise à améliorer la résilience des systèmes de distribution d'électricité face à des événements de faible probabilité, à fort impact. Dans le cadre proposé, le problème de planification a été présenté comme un problème d'optimisation stochastique à deux niveaux. Tout d'abord, le niveau externe traite du placement optimal des éléments de planification du système de distribution (c.-à-d. les ressources répartissables ou non répartissables, les unités de stockage d'énergie et les interrupteurs d'isolement). Ce problème a été formulé en utilisant une formulation d'optimisation multi-objectifs et ensuite l'algorithme métaheuristique bien connu NSGA-II est adopté pour la recherche d'une solution optimale. Cette approche permet de déterminer les solutions qui impliquent le meilleur compromis entre plusieurs objectifs éventuellement conflictuels du problème de planification, à savoir le coût, la résilience et l'impact environnemental. Deuxièmement, le niveau interne du cadre de planification traite du problème d'optimisation relatif au fonctionnement optimal des micro-réseaux qui peuvent être créés par les éléments de planification du système de distribution alloués dans le niveau externe. Le problème du fonctionnement optimal du micro-réseau est présenté comme un problème d'étude de l'écoulement de puissance optimal linéaire (LOPF). À cette fin, le modèle MILP développé dans la deuxième étape est adopté. Néanmoins, il est nécessaire de prendre en compte différents scénarios stochastiques dans le niveau interne pour tenir compte des différentes incertitudes du système. Il faut aussi considérer la nature métaheuristique du niveau externe ce qui demande la résolution du modèle LOPF pour chacun des scénarios stochastiques et aussi pour chaque individu de la population. La prise en compte de ces facteurs présente un défi au niveau du calcul. Par conséquent, une nouvelle méthodologie utilisant un modèle de réseau de neurones (DNN) est proposée. Cette méthode permet de dériver rapidement l'information requise des solutions LOPF pour les scénarios stochastiques considérés. Enfin, l'efficacité du cadre proposé est validée par des résultats de simulation numérique. / Facing severe weather events, a distribution system may suffer from the loss or failure of one or more of its components, known as N-K contingencies. Nevertheless, taking advantage of the system's isolate switches and the penetration of the distributed energy resources in the electrical grid, a distribution system has the possibility to be clustered into microgrids in order to with stand such contingencies with minimal power interruption. Driven by technical, economic and environmental factors, as well as by the rapid deployment of a large number of distributed generation resources, the microgrid has recently become an important concept in the active distribution system. Microgrids have the ability to operate in both grid-connected and islanded modes. The benefits that the microgrid concept can bring to the operation of the distribution grids make the microgrid a key component of the future smart grid. While, the microgrid concept can bring different benefits to both distribution utilities and customers i.e., economic, environmental and resilience enhancement; the planning and operational management of microgrids still present several challenges for the decision maker and the distribution network operator. The challenges with the planning of microgrids arise from: 1) the intermittent and uncertain nature of the distributed energy resources and loads as well as the uncertainty pertaining to the contingencies facing the distribution network, 2) the computational burden that considering the microgrid's uncertainties entails, and 3) the large number of trade-offs between the different possible microgrid optimization objectives that need to be considered in the planning stage. Motivated by these challenges, this research proposes the development of new analysis and planning methodologies that can ensure the efficacy of the microgrid creation process considering the microgrids special features and operational philosophy. Initially, nonlinear and linear power flow models are developed to cope with the real characteristics of balanced and unbalanced islanded microgrid i.e. the absence of the slack bus, the system frequency being a variable and some DGs operating in droop-control mode. First, a non-linear branch-based Z[subscript bus] algorithm for the droop-controlled islanded microgrid is introduced. This algorithm is inversion free and is particularly suited for the large dimensions of practical distribution systems comprising up to thousands of electrical node, i.e., when operated as islanded microgrids. Secondly, a node-based linear power flow (LPF) model for droop-controlled islanded microgrids is proposed. The node-based nature of the proposed LPF model, allows this model to be integrated in different microgrid optimization models. Numerical case studies are developed and are used to demonstrate the accuracy of the proposed power flow models and guarantee its successful application to accurately model the microgrid power flow in the optimization application in the next stage of this research. In the second stage, this research proposes an optimal power flow (OPF) model for the optima operation of balanced and unbalanced AC microgrids with hierarchical control (i.e., primary droop and secondary control). The proposed model has been first formulated as a mixed integer nonlinear programing (MINLP) model, then it was linearized and converted into a mixed integer linear programing (MILP) model by adapting the LPF model developed in the first stage of this research. The operating philosophy of the microgrid, in both grid-connected and islanded modes of operation, was considered. Additionally, several types of distributed generators, including dispatchable and non-dispatchable, as well as energy storage resources, were considered in the proposed MILP model. Several numerical case studies were conducted to validate, and prove the effectiveness and the accuracy of the developed MILP model. The results from the developed case studies demonstrated the accuracy and the computational superiority of the proposed MILP model. Finally, a planning framework for microgrids in active distribution networks is proposed. The proposed planning framework is aimed at enhancing the resilience of power distribution systems facing high impact low probability events. In the proposed framework, the planning problem has been casted as a stochastic bi-level optimization problem. First, the outer level deals with the optimal placement of the distribution system planning elements (i.e., dispatchable/non-dispatchable resources, energy storage units and isolating switches). This problem has been formulated using a multi-objective optimization formulation and the well know metaheuristic Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) algorithm is adopted for its solution. This approach allows for determining the solutions that entail the best trade-off between the possibly conflicting multi-objectives of the planning problem, namely, cost, resilience and environmental impact. Second, the inner level of the planning framework handles the optimization problem pertaining to the optimal operation of the microgrids that can be created by the distribution system planning elements allocated in the outer level. The problem of the microgrid's optimal operation is casted as a Linear Optimal Power Flow (LOPF) problem. To this end, the proposed MILP model developed in the second stage is adopted. Despite using a LOPF model, considering different stochastic scenarios in the inner level, to account for the different system uncertainties, along with the metaheuristic nature of the outer level make solving the LOPF model for each of the stochastic scenarios for each individual in the metaheuristic optimization's population, using a numerical optimization solver computationally challenging. Motivated by this challenge, a novel methodology using a deep neural network (DNN) model is proposed for deriving the information required from the LOPF solutions for the stochastic scenarios under consideration. The effectiveness of the proposed framework is finally validated by numerical simulation results.

Face à des événements météorologiques violents, un système de distribution électrique peut souffrir de la perte ou de la défaillance d'un ou de plusieurs de ses composants. Ce phénomène est connu sous le nom de contingence de système. Néanmoins, en tirant parti des systèmes de protection, de l'électronique de puissance et de la pénétration des ressources énergétiques décentralisées dans le réseau électrique, un système de distribution électrique a la possibilité d'être reconfiguré en micro-réseaux. Cela permet de résister contre de telles éventualités en gardant au minimum la possibilité d'une interruption de l'alimentation. Poussé par des facteurs techniques, économiques et environnementaux, ainsi que par le déploiement rapide d'un grand nombre de ressources de production décentralisées, le micro-réseau est récemment devenu un concept important dans un système de distribution actif et rapidement reconfigurable. Les micro-réseaux ont la capacité de fonctionner à la fois en mode connecté au réseau et en mode isolé. En raison de cet avantage, le micro-réseau est devenu un élément clé du futur réseau intelligent. Bien que le concept de micro-réseau puisse apporter différents avantages aux services de distribution et aux clients, à savoir une amélioration de l'économie, de l'environnement et de la résilience, il offre toujours un défi au niveau de la planification et la gestion opérationnelle. Les défis de la planification des micro-réseaux proviennent de : 1) la nature intermittente et incertaine des ressources décentralisées et des charges des systèmes distribués, ainsi que l'incertitude relative aux contingences auxquelles le réseau de distribution est confronté, 2) la charge de calcul que la prise en compte des incertitudes du micro-réseau implique, et 3) le grand nombre de compromis entre les différents objectifs d'optimisation possibles du micro-réseau qui doivent être pris en compte dans la phase de planification. Motivée par ces défis, cette recherche propose le développement de nouvelles méthodologies d'analyse et de planification qui peuvent assurer l'efficacité du processus de création du micro-réseau en tenant compte des caractéristiques particulières et de la philosophie opérationnelle du micro-réseau. Dans un premier temps, les modèles d'étude d'écoulement de puissance linéaires et non linéaires sont développés en prenant compte des caractéristiques réelles d'un micro-réseau insulaire équilibré et déséquilibré, c'est-à-dire l'absence de bus infini, la présence d'une fréquence du système variable et de certains générateurs fonctionnant en mode de contrôle « statisme ». Tout d'abord, nous présentons un algorithme non linéaire basé sur la méthode des mailles et la matrice Z[indice bus] pour un micro-réseau opéré en mode « droop ». Cet algorithme sans inversion est particulièrement adapté aux grandes dimensions des systèmes de distribution pratiques comprenant des milliers de nœuds électriques, lorsqu'ils fonctionnent comme des micro-réseaux insulaires. Deuxièmement, un modèle linéaire pour étudier l'écoulement de puissance (LPF) basé sur la méthode des nœuds est proposé. Étant basé sur la méthode des nœuds, le modèle proposé est utilisable dans différents problèmes d'optimisation de micro-réseaux. Des études de cas numériques sont développées et utilisées pour démontrer la précision des modèles proposés et garantir leur application réussie pour modéliser avec précision l'écoulement d'énergie dans un micro-réseau. Cela permet son application dans un processus d'optimisation présenté à l'étape suivante de cette recherche. Dans la deuxième étape, cette recherche propose un modèle d'écoulement de puissance optimal (OPF) pour le fonctionnement optimal des micro-réseaux à courant alternatif, équilibrés et déséquilibrés, avec un contrôle hiérarchique (c'est-à-dire, un contrôle primaire et secondaire). Le modèle proposé a d'abord été formulé comme un modèle non linéaire en nombres entiers (MINLP), puis il a été linéarisé et converti en un modèle linéaire en nombres entiers (MILP) en utilisant le modèle LPF développé dans la première étape de cette recherche. La philosophie de fonctionnement du micro-réseau, en mode connecté au réseau et en mode îloté, a été prise en compte. De plus, plusieurs types de générateurs distribués, y compris ceux qui sont disptachables et non disptachables, ainsi que des ressources de stockage d'énergie, ont été pris en compte dans le modèle MILP proposé. Plusieurs études de cas numériques ont été menées pour valider et prouver l'efficacité et la précision du modèle MILP développé. Les résultats de ces études de cas ont démontré la précision et la supériorité de calcul du modèle MILP proposé Enfin, un cadre de planification pour les micro-réseaux dans les réseaux de distribution actifs est proposé. Ce cadre de planification vise à améliorer la résilience des systèmes de distribution d'électricité face à des événements de faible probabilité, à fort impact. Dans le cadre proposé, le problème de planification a été présenté comme un problème d'optimisation stochastique à deux niveaux. Tout d'abord, le niveau externe traite du placement optimal des éléments de planification du système de distribution (c.-à-d. les ressources répartissables ou non répartissables, les unités de stockage d'énergie et les interrupteurs d'isolement). Ce problème a été formulé en utilisant une formulation d'optimisation multi-objectifs et ensuite l'algorithme métaheuristique bien connu NSGA-II est adopté pour la recherche d'une solution optimale. Cette approche permet de déterminer les solutions qui impliquent le meilleur compromis entre plusieurs objectifs éventuellement conflictuels du problème de planification, à savoir le coût, la résilience et l'impact environnemental. Deuxièmement, le niveau interne du cadre de planification traite du problème d'optimisation relatif au fonctionnement optimal des micro-réseaux qui peuvent être créés par les éléments de planification du système de distribution alloués dans le niveau externe. Le problème du fonctionnement optimal du micro-réseau est présenté comme un problème d'étude de l'écoulement de puissance optimal linéaire (LOPF). À cette fin, le modèle MILP développé dans la deuxième étape est adopté. Néanmoins, il est nécessaire de prendre en compte différents scénarios stochastiques dans le niveau interne pour tenir compte des différentes incertitudes du système. Il faut aussi considérer la nature métaheuristique du niveau externe ce qui demande la résolution du modèle LOPF pour chacun des scénarios stochastiques et aussi pour chaque individu de la population. La prise en compte de ces facteurs présente un défi au niveau du calcul. Par conséquent, une nouvelle méthodologie utilisant un modèle de réseau de neurones (DNN) est proposée. Cette méthode permet de dériver rapidement l'information requise des solutions LOPF pour les scénarios stochastiques considérés. Enfin, l'efficacité du cadre proposé est validée par des résultats de simulation numérique. / Facing severe weather events, a distribution system may suffer from the loss or failure of one or more of its components, known as N-K contingencies. Nevertheless, taking advantage of the system's isolate switches and the penetration of the distributed energy resources in the electrical grid, a distribution system has the possibility to be clustered into microgrids in order to with stand such contingencies with minimal power interruption. Driven by technical, economic and environmental factors, as well as by the rapid deployment of a large number of distributed generation resources, the microgrid has recently become an important concept in the active distribution system. Microgrids have the ability to operate in both grid-connected and islanded modes. The benefits that the microgrid concept can bring to the operation of the distribution grids make the microgrid a key component of the future smart grid. While, the microgrid concept can bring different benefits to both distribution utilities and customers i.e., economic, environmental and resilience enhancement; the planning and operational management of microgrids still present several challenges for the decision maker and the distribution network operator. The challenges with the planning of microgrids arise from: 1) the intermittent and uncertain nature of the distributed energy resources and loads as well as the uncertainty pertaining to the contingencies facing the distribution network, 2) the computational burden that considering the microgrid's uncertainties entails, and 3) the large number of trade-offs between the different possible microgrid optimization objectives that need to be considered in the planning stage. Motivated by these challenges, this research proposes the development of new analysis and planning methodologies that can ensure the efficacy of the microgrid creation process considering the microgrids special features and operational philosophy. Initially, nonlinear and linear power flow models are developed to cope with the real characteristics of balanced and unbalanced islanded microgrid i.e. the absence of the slack bus, the system frequency being a variable and some DGs operating in droop-control mode. First, a non-linear branch-based Z[subscript bus] algorithm for the droop-controlled islanded microgrid is introduced. This algorithm is inversion free and is particularly suited for the large dimensions of practical distribution systems comprising up to thousands of electrical node, i.e., when operated as islanded microgrids. Secondly, a node-based linear power flow (LPF) model for droop-controlled islanded microgrids is proposed. The node-based nature of the proposed LPF model, allows this model to be integrated in different microgrid optimization models. Numerical case studies are developed and are used to demonstrate the accuracy of the proposed power flow models and guarantee its successful application to accurately model the microgrid power flow in the optimization application in the next stage of this research. In the second stage, this research proposes an optimal power flow (OPF) model for the optima operation of balanced and unbalanced AC microgrids with hierarchical control (i.e., primary droop and secondary control). The proposed model has been first formulated as a mixed integer nonlinear programing (MINLP) model, then it was linearized and converted into a mixed integer linear programing (MILP) model by adapting the LPF model developed in the first stage of this research. The operating philosophy of the microgrid, in both grid-connected and islanded modes of operation, was considered. Additionally, several types of distributed generators, including dispatchable and non-dispatchable, as well as energy storage resources, were considered in the proposed MILP model. Several numerical case studies were conducted to validate, and prove the effectiveness and the accuracy of the developed MILP model. The results from the developed case studies demonstrated the accuracy and the computational superiority of the proposed MILP model. Finally, a planning framework for microgrids in active distribution networks is proposed. The proposed planning framework is aimed at enhancing the resilience of power distribution systems facing high impact low probability events. In the proposed framework, the planning problem has been casted as a stochastic bi-level optimization problem. First, the outer level deals with the optimal placement of the distribution system planning elements (i.e., dispatchable/non-dispatchable resources, energy storage units and isolating switches). This problem has been formulated using a multi-objective optimization formulation and the well know metaheuristic Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) algorithm is adopted for its solution. This approach allows for determining the solutions that entail the best trade-off between the possibly conflicting multi-objectives of the planning problem, namely, cost, resilience and environmental impact. Second, the inner level of the planning framework handles the optimization problem pertaining to the optimal operation of the microgrids that can be created by the distribution system planning elements allocated in the outer level. The problem of the microgrid's optimal operation is casted as a Linear Optimal Power Flow (LOPF) problem. To this end, the proposed MILP model developed in the second stage is adopted. Despite using a LOPF model, considering different stochastic scenarios in the inner level, to account for the different system uncertainties, along with the metaheuristic nature of the outer level make solving the LOPF model for each of the stochastic scenarios for each individual in the metaheuristic optimization's population, using a numerical optimization solver computationally challenging. Motivated by this challenge, a novel methodology using a deep neural network (DNN) model is proposed for deriving the information required from the LOPF solutions for the stochastic scenarios under consideration. The effectiveness of the proposed framework is finally validated by numerical simulation results.

Cette thèse étudie le marché d'électricité européen. Le premier sujet porte sur les interdépendances des prix de l'électricité dans les principaux marchés européens pour évaluer l'efficacité des réformes introduites par la commission européenne pour créer un marché unique de l'électricité. Nous utilisons des méthodes statistiques multidimensionnelles (modèle vectoriel autorégressif et le test de causalité de Granger). Le second sujet concerne l'impact de l'introduction du marché des dérivés sur la volatilité des prix du marché au comptant à travers une étude économétrique avec le modèle GARCH, l'objectif est d'examiner l'effet stabilisant ou déstabilisant des dérivés sur la volatilité des prix de l'électricité. Enfin, le troisième sujet analyse les effets potentiels de l'évolution des réformes réglementaires sur les prix et la sécurité d'approvisionnement ainsi que les interactions entre les réformes du Royaume-Uni et celles de l'Union Européenne. / This thesis examines the European electricity markets. It first evaluates the effectiveness of European commission reforms to create a single and unified electricity market in Europe against national policies measures, investigating the interdependencies of electricity prices in the main European markets including United Kingdom of Great Britain. To conduct the econometric analysis, Vector Autoregressive model and Granger causality test (Granger 1988) are used. It then studies the impact of the introduction of derivatives trading market on the price volatility of physical market through an econometric study with GARCH model. Finally, it examines the potential effect of changing reforms on electricity prices and security of supply and analyses the interaction between UK reforms and EU regulation.

L’Europe et, en particulier, la France ont engagé une politique de transition énergétique, consistant à diminuer de 20 % les émissions de gaz à effet de serre, réduire de 20 % la consommation d'énergie et à atteindre 20 % d'énergies renouvelables dans le bouquet énergétique d'ici à 2020. Afin d’atteindre ces objectifs, plusieurs pistes doivent être déployées afin de promouvoir les énergies renouvelables qui sont de nature intermittente. Dans le cadre de ce projet de thèse on propose trois pistes pour contribuer au développement de ces énergies : la première consiste à déterminer la combinaison efficace des sources intermittentes et de sources fiables telle que les combustibles, ainsi que le montant optimal à investir dans les technologies renouvelables intermittentes sachant leur productivité imprévisible et variable. La deuxième piste de recherche consiste à déterminer, à l’aide d’un modèle dynamique, dans quelles circonstances on stocke de l’électricité et dans quelles circonstances on la délivre. Dans ce cadre, on essayera de déterminer un seuil optimal de stockage. La troisième piste consiste à déterminer comment on organise le secteur de l’effacement électrique. on appliquera le même principe que pour les parties précédentes : on a le modèle de base qui est l’intermittence modélisée par la variable aléatoire à laquelle on rajoutera l’effacement électrique. Dans le cadre de la thèse on espère publier trois articles complémentaires, un article sur chaque piste. Le lien entre ces trois pistes sera l’analyse et à la modélisation des différents instruments politiques, qui sont en ce moment en discussion au niveau français. L’objectif de cette analyse sera de faire un classement en fonction de leur capacité à atteindre un état optimal (ou à s’en approcher) sur chaque piste. / L’Europe et, en particulier, la France ont engagé une politique de transition énergétique, consistant à diminuer de 20 % les émissions de gaz à effet de serre, réduire de 20 % la consommation d'énergie et à atteindre 20 % d'énergies renouvelables dans le bouquet énergétique d'ici à 2020. Afin d’atteindre ces objectifs, plusieurs pistes doivent être déployées afin de promouvoir les énergies renouvelables qui sont de nature intermittente. Dans le cadre de ce projet de thèse on propose trois pistes pour contribuer au développement de ces énergies : la première consiste à déterminer la combinaison efficace des sources intermittentes et de sources fiables telle que les combustibles, ainsi que le montant optimal à investir dans les technologies renouvelables intermittentes sachant leur productivité imprévisible et variable. La deuxième piste de recherche consiste à déterminer, à l’aide d’un modèle dynamique, dans quelles circonstances on stocke de l’électricité et dans quelles circonstances on la délivre. Dans ce cadre, on essayera de déterminer un seuil optimal de stockage. La troisième piste consiste à déterminer comment on organise le secteur de l’effacement électrique. on appliquera le même principe que pour les parties précédentes : on a le modèle de base qui est l’intermittence modélisée par la variable aléatoire à laquelle on rajoutera l’effacement électrique. Dans le cadre de la thèse on espère publier trois articles complémentaires, un article sur chaque piste. Le lien entre ces trois pistes sera l’analyse et à la modélisation des différents instruments politiques, qui sont en ce moment en discussion au niveau français. L’objectif de cette analyse sera de faire un classement en fonction de leur capacité à atteindre un état optimal (ou à s’en approcher) sur chaque piste.

Ce mémoire présente l'imbrication des éléments hydroélectrique au sein du paysage de la ville de Sherbrooke entre 1880 et 1930. Nous cherchons à comprendre comment les nouveaux éléments énergétiques s'intègrent à celui-ci et comment la population sherbrookoise se représente ces espaces transformés. Comment le paysage hydroélectrique, en tant qu'espace vu et vécu, interagit-il avec la société sherbrookoise? À l'intérieur de cette problématique générale, nous chercherons à répondre à trois sous-questions. Quelles sont les transformations physiques et matérielles engendrées par l'implantation de cette nouvelle technologie hydroélectrique sur le paysage urbain sherbrookois? Qu'est-ce que les différents groupes valorisent au sein du paysage? Quel sens prennent ces nouveaux paysages pour les Sherbrookois? En effet, l'étude du développement rapide du potentiel hydroélectrique de la rivière Magog nous amène à démontrer que l'exploitation des ressources énergétiques a profondément transformé le paysage de Sherbrooke : vastes modifications du tracé des cours d'eau, apparition de bâtiments spécifiques à la production énergétique, structures de distributions et infrastructures permettant l'illumination de la ville. Nous avançons aussi que différents groupes d'individus ne valorisent pas les mêmes éléments paysagers. Finalement, nous proposons que le regard porté par les citoyens sur le paysage énergétique est tributaire de l'usage qu'ils en font. Comme la fonction des éléments énergétiques paysagers évolue, le regard qu'ils portent vers ces structures se transforme lui aussi.

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L'accueil de plusieurs événements internationaux ayant réactualisé l'enjeu sécuritaire, dès la fin de l'année 2008, le gouvernement de l'État de Rio de Janeiro a mis en place une nouvelle politique de sécurité publique pour reprendre le contrôle territorial d'un grand nombre de favelas en s'appuyant sur les Unités de police de pacification (UPP). Dans ce cadre, les pouvoirs publics ont en partie remodelé leur projet d'intégration des favelas. Depuis les années 1990, il était principalement envisagé en termes d'aménagement, par l'amélioration des infrastructures et des voies d'accès ainsi que, dans une moindre mesure, de régularisation foncière et urbaine. Désormais, les autorités envisagent de promouvoir « l'intégration par la régularisation » des relations marchandes et administratives, associant les différents acteurs des sphères publiques et privées. Cette thèse pose la question de l'intégration des favelas selon une perspective peu explorée : celle de la régularisation par le réseau d'électricité, dont l'objectif est de faire des « usagers clandestins » de nouveaux « clients abonnés », liés à l'entreprise de distribution par un compteur. En particulier, nous nous attacherons à mettre en exergue l'articulation entre logiques publiques et privées à l'œuvre dans les projets de régularisation du service d'électricité dans deux favelas, Santa Marta et Cantagalo. Pour ce faire, notre analyse se propose d'étudier la régularisation du service d'électricité à travers ses outils - socio-techniques (installation des compteurs et réfection du réseau), commerciaux (modes de recouvrement des factures) et de maîtrise de la consommation d'électricité – et leurs modes d'appropriation par les abonnés. La recherche montre que la régularisation du service d'électricité reconfigure la relation des favelados à l'Etat et au marché qui se heurte à certaines limites : la relation commerciale contractualisée peine à s'ancrer dans un rapport de confiance ; les actions de maîtrise de la consommation prônent une « mise aux normes » des comportements plus qu'un accompagnement des usages ; la régularisation du service reproduit plutôt qu'elle ne dépasse les inégalités socio-économiques, qui perdent par ailleurs progressivement leur caractère politique. Cette thèse vise ainsi à contribuer à une meilleure compréhension des modalités d'intégration des favelas dans le cadre d'une néolibéralisation accrue des politiques urbaines / With the country's hosting of a number of major international events having refocused attention on security issues, the government of the state of Rio de Janeiro introduced a new public security policy at the end of 2008 to regain territorial control over many of the city's favelas through the use of Pacifying Police Units (UPP). This programme has led to a partial revamp of the public authorities' favelas integration project. Since the 1990s, development has mainly involved improving infrastructure and access roads and, to a lesser extent, land and urban regularisation. Now, however, the authorities plan to promote ‘integration through the regularisation' of market and administrative relationships, involving various stakeholders from both the public and private spheres. This thesis examines the integration of these favelas from a relatively unexplored perspective: that of regularisation through the electricity network, the aim of which is to transform ‘illegal users' into new ‘registered customers', connected to the distribution company by a meter. In particular, we will highlight the link between the public and private approaches being used in projects to regularise the electricity service in two favelas, Santa Marta and Cantagalo. To this end, our analysis will focus on studying regularisation of the electricity service using its own tools - including socio-technical (installing meters and rehabilitating the network), commercial (billing collection methods) and controlling electricity consumption tools - and examining the ways in which customers have taken ownership of these. Research shows that regularising the electricity service tends to reshape the favelados' relationship with the state and the market; however, this has a number of limitations: it is difficult to build contractual customer relationships based on trust; activities to control consumption advocate bringing behaviours ‘up to standard' rather than supporting use; service regularisation tends to reproduce socio-economic inequalities rather than rise above them and these inequalities also gradually become less political. Thus, the aim of this thesis is to help improve understanding of the methods being used to integrate the favelas given the growing neo-liberalisation of urban policy

Cette thèse présente un cadre novateur d'Énergie Transactive (TE) en tant que solution basée sur le marché, conçu pour utiliser les flexibilités au niveau des utilisateurs afin de fournir des services au niveau du réseau. Développer un cadre TE efficace implique des défis, car il doit répondre aux besoins à la fois des prosommateurs et des agrégateurs. À travers des recherches approfondies, des lacunes clés ont été identifiées : l'absence d'un système de gestion de l'énergie pour les prosommateurs qui soutient à la fois le Peer-to-Peer (P2P) trading et les interactions avec les agrégateurs, la nécessité pour les prosommateurs de gérer leurs propres incertitudes avec une forte pénétration des énergies renouvelables, et le fonctionnement flou des cadres TE au sein des plateformes P2P et d'agrégation existantes. De plus, la scalabilité dans les grands réseaux et le développement d'algorithmes de décomposition pour une haute convergence et précision restent des enjeux. Pour relever ces défis, un mécanisme de Transactive Energy Control (TEC) pour les Prosumer-Based Multi-Carrier Energy Systems (PB-MCESs) est introduit dans le Chapitre 2. Ce mécanisme emploie la théorie du Nash Bargaining Game (NBG) pour améliorer la coordination des ressources, réduire les coûts de gestion de l'énergie et augmenter les revenus du trading tout en gérant les incertitudes des Renewable Energy Sources (RESs) à travers une modélisation détaillée et une programmation stochastique. De plus, un cadre TE coopératif-compétitif est développé pour les systèmes avec un seul agrégateur dans le Chapitre 3. Ce cadre utilise les théories NBG et du Non-Cooperative Game (NCG) pour réduire les coûts des prosommateurs, améliorer les prix P2P et augmenter les taux de convergence de l'optimisation avec la méthode Advanced Accelerated Alternative Direction Method of Multipliers (A³DMM). La Distributionally Robust Optimization (DRO) est utilisée pour mieux gérer les incertitudes et les coûts globaux. Pour les systèmes avec plusieurs agrégateurs, un cadre TE hybride à trois niveaux basé sur des jeux est proposé dans le Chapitre 4. Ce cadre intègre l'optimisation décentralisée distribuée, la théorie des jeux évolutifs et le NCG, réduisant encore davantage les coûts des prosommateurs et atténuant les problèmes de pouvoir de marché. L'algorithme proximal adaptatif ADMM fournit une convergence plus rapide et une précision plus élevée, tandis que la méthode DRO indépendante de l'échelle utilise des données historiques étendues pour une meilleure estimation des coûts et gestion des incertitudes. Pour aborder la scalabilité et la précision dans les réseaux plus grands, un procédé TE décentralisé basé sur la traduction est introduit dans le Chapitre 5. Ce procédé assure que les flexibilités nécessaires sont fournies par les prosommateurs responsables, atteignant une quasi-indépendance de l'échelle du système en termes de convergence et de précision. Enfin, un cadre hybride de Transactive Energy Management (TEM) distribué hiérarchique est proposé pour tirer parti des flexibilités en bordure de réseau pour la gestion de l'énergie dans les systèmes de transmission au Chapitre 6. Ce cadre combine la décomposition duale et l'ADMM avec un algorithme dynamique de plan de coupe contraint, améliorant significativement la réduction des coûts, le lissage des charges, la gestion de la congestion, la vitesse de convergence et la précision. L'algorithme hybride montre également une moindre dépendance aux paramètres d'initialisation, traitant les limitations courantes des méth odes traditionnelles. Le cadre TE proposé permet un modèle économique durable pour le P2P trading et l'agrégation dans un environnement hautement concurrentiel. Ainsi, l'intérêt de tous les acteurs peut être pris en compte. De plus, les prosommateurs sont capables de gérer leurs propres incertitudes sous la forte pénétration des renouvelables et la faible flexibilité du réseau principal. / This thesis presents a novel Transactive Energy (TE) framework as a market-based solution designed to utilize user-level flexibilities for providing grid-level services. Developing an effective TE framework involves challenges, as it must cater to the needs of both prosumers and aggregators. Through extensive research, key gaps were identified: the absence of an energy management system for prosumers that supports both Peer-to-Peer (P2P) trading and aggregator interactions, the need for prosumers to manage their own uncertainties with high renewable energy penetration, and the unclear operation of TE frameworks within existing P2P and aggregation platforms. Additionally, scalability in large networks and the development of decomposition algorithms for high convergence and accuracy remain issues. To tackle these challenges, a Transactive Energy Control (TEC) mechanism for Prosumer-Based Multi-Carrier Energy Systems (PB-MCESs) is introduced in Chapter 2. This mechanism employs the Nash Bargaining Game (NBG) theory to improve resource coordination, reduce energy management costs, and boost trading revenues while managing uncertainties of Renewable Energy Sources (RESs) through detailed modeling and stochastic programming. Additionally, a cooperative-competitive TE framework is developed for systems with a single aggregator in Chapter 3. This framework uses NBG and Non-Cooperative Game (NCG) theories to lower prosumer costs, enhance P2P prices, and improve optimization convergence rates with the proposed Advanced Accelerated Alternative Direction Method of Multipliers (A³DMM). Distributionally Robust Optimization (DRO) is used to better manage uncertainties and overall costs. For systems with multiple aggregators, a tri-layer hybrid game-based TE framework is proposed in Chapter 4. This framework integrates distributed-decentralized optimization, evolutionary game theory, and NCG, further reducing prosumer costs and mitigating market power issues. The adaptive proximal ADMM algorithm provides faster convergence and higher accuracy, while the scale-independent DRO method leverages extensive historical data for better cost estimation and uncertainty management. To address scalability and accuracy in larger networks, in Chapter 5, a translation-based decentralized TE method is introduced. This method ensures that necessary flexibilities are provided by responsible prosumers, achieving near-independence from the system scale in terms of convergence and accuracy. Finally, a hybrid distributed hierarchical TE Management (TEM) framework is proposed for leveraging grid-edge flexibilities for energy management in transmission systems in Chapter 6. This framework combines dual decomposition and ADMM with a dynamically constrained cutting plane algorithm, significantly improving cost reduction, load smoothing, congestion management, convergence speed, and accuracy. The hybrid algorithm also shows less dependency on initialization parameters, addressing common limitations of traditional methods. The proposed TE framework enables a sustainable business model for P2P trading and aggregation in an environment with high competition. Therefore, the interest of all players can be considered. Besides, prosumers are able to handle their own uncertainty under the high penetration of renewables and low flexibility of the main grid

Cette thèse étudie l’impact du véhicule électrique en tant que voie de décarbonisation profonde dans les études de planification et d’exploitation. L’étape de planification comprend trois phases différentes: Phase I) Un modèle de planification pour un véhicule électrique enfichable est proposé dans cette phase. De plus, un contrôle de charge à deux niveaux pour le contrôle de charge et de décharge qui est capable de prendre en compte à la fois les intérêts des clients et de l’opérateur de système indépendant (ISO) est proposé dans cette phase. Phase II) Au cours de cette phase, on étudie l’impact du véhicule électrique autonome en tant que technologie de rupture sur la transition optimale vers les véhicules électriques rechargeables. Dans les deux phases précédentes, il n’y a aucun nouvel investissement dans le secteur de l’électricité et une méthode de de décomposition de benders est également appliquée pour linéariser la non-linéarité générée dans le problème d’optimisation par le schéma de contrôle des cycles de charge et décharge. Phase III) Ici, un problème de planification est proposé à la fois pour le secteur de l’électricité et celui des transports électrifiés afin de maximiser la pénétration des véhicules électriques rechargeables dans le réseau. Pour résoudre ce problème, on mets en oeuvre une optimisation robuste du point de vue de la distribution, basée l’analyse de scénario et appliquant une règle de décision affine pour gérer les incertitudes associées.Dans la deuxième étape de la thèse qui porte sur la programmation de l’exploitation, il y a deux phases : Phase I) Au cours de cette phase, une stratégie d’appel d’offres collaborative est proposée pour les agrégateurs de véhicules électriques participant au marché de l’électricité. Une optimisation robuste du point de vue des scénarios, capable de prendre en compte à la fois les informations concernant la distribution statistique distribution et les informations métriques de distance dans un ensemble d’ambiguïtés. Phase II) Un modèle de fiabilité pour le parc de véhicules électriques participant aux programmes de réponse à la demande est proposé. De plus, l’impact de l’IMA (infrastructure de mesurage avancée) réparable sur le modèle de fiabilité du parc de véhicules électriques est étudié dans cette phase. / This thesis investigates the impact of electric vehicle as a pathway for deep decarbonization in both planning and operation studies. The planning study stage include three different phases: Phase I) Aplanning model for plug-in electric vehicle is proposed in this phase. Moreover, a bi-level charging control for charging and discharging control which is able to consider both interests of customers and independent system operator (ISO) is proposed in this phase. Phase II) In this phase, the impact of autonomous electric vehicle as a clean disruptive technology is investigated on optimal transition to plug-in electric vehicles. In the two previous phases, there is no new investment in the electricity sector and also a benders decomposition method is applied to linearize the non linearity arising from the by charging and discharging control schemes in the optimization problem. Phase III) Herein, a planning problem is proposed for both electricity sector and electrified transportation sector in order to maximize the penetration of plug-in electric vehicles in the grid. A scenario based distributionally robust optimization applying affine decision rule to handle the associated uncertainties is proposed.In the second stage of the thesis which is the operation study, there are two phases as: Phase I) In this phase a collaborative bidding strategy is proposed for electric vehicles aggregator participating in electricity market. A scenario wise distributionally robust optimization which is able to consider both distributional information and distance metric information inside an ambiguity set is developed. PhaseII) Herein, a reliability model for electric vehicle fleet participating in demand response programs is proposed. Moreover, the impact of repairable AMI on reliability model of electric vehicle fleet is investigated in this phase.