Ces dernières années, l'intégration des Ressources Énergétiques Distribuées (RED) et des Sources d'Énergie Renouvelables (SER) a introduit de nouvelles complexités et opportunités pour la gestion des systèmes électriques. Cette thèse explore le rôle des Centrales Virtuelles (CV) dans la réponse aux défis liés à la décarbonation, à la stabilité du réseau et à la participation des prosumers. Dans le Chapitre 1, l'évolution des CV est passée en revue, soulignant leur rôle essentiel dans la gestion d'actifs énergétiques divers, tels que l'éolien, le solaire et les véhicules électriques, ainsi que leur potentiel à permettre des modèles énergétiques basés sur les prosumers. Le chapitre examine également les mises en œuvre réelles des CV, identifiant les écarts entre la littérature académique et le déploiement pratique, tout en suggérant les tendances futures pour le développement des CV. Le Chapitre 2 introduit un modèle de co-programmation pour les CV, qui optimise la fourniture d'énergie, la régulation de tension et le soutien en fréquence pour les prosumers dans les réseaux locaux. Il présente une approche d'Optimisation Robuste Distributive Basée sur les Données (ORD) pour gérer les incertitudes des prosumers et décrit une méthode de coordination sécurisée utilisant la méthode adaptative de Direction Alternative des Multiplicateurs (DAM). Ce chapitre souligne comment les CV peuvent améliorer la stabilité du réseau tout en préservant la confidentialité des données. Le Chapitre 3 propose une stratégie d'agrégation exploitant les CV pour combiner de plus petits Systèmes de Stockage d'Énergie par Batteries (BESS) en portefeuilles capables de participer aux marchés de régulation de fréquence. Le chapitre développe un modèle stochastique-robuste à deux niveaux pour gérer les incertitudes liées aux prix du marché et aux pannes, en intégrant l'algorithme de comptage Rainflow (RCA) pour traiter la dégradation des batteries. Cette stratégie démontre comment les CV peuvent améliorer la rentabilité des unités de stockage d'énergie à petite échelle tout en soutenant la stabilité du réseau. Enfin, le Chapitre 4 présente un cadre de coordination de la régulation de tension (RT) en trois étapes, conçu pour que les CV gèrent la flexibilité des prosumers dans les réseaux de distribution. En utilisant un modèle ORD basé sur Wasserstein et des signaux de coordination basés sur les prix, le chapitre propose une approche de jeu de Stackelberg à deux niveaux pour agréger de plus petits prosumers en vue d'un contrôle efficace de la tension. Le cadre améliore l'efficacité de la RT et réduit les coûts opérationnels tout en maintenant l'efficacité informatique. Collectivement, cette thèse contribue au domaine des systèmes électriques en fournissant des modèles et stratégies innovants pour l'exploitation et l'optimisation des CV, offrant des perspectives sur leurs applications pratiques et les orientations futures de la recherche. / In recent years, the integration of Distributed Energy Resources (DERs) and Renewable Energy Sources (RESs) has introduced new complexities and opportunities for power system management. This thesis explores the role of Virtual Power Plants (VPPs) in addressing challenges related to decarbonization, grid stability, and prosumer participation. In Chapter 1, the evolution of VPPs is reviewed, highlighting their pivotal role in managing diverse energy assets, from wind and solar to electric vehicles, and their potential to enable prosumer-based energy models. The chapter also examines real-world VPP implementations, identifying gaps between academic literature and practical deployment, while suggesting future trends for VPP development. Chapter 2 introduces a co-scheduling model for VPPs that optimizes energy provision, voltage regulation, and frequency support for prosumers in local networks. It presents a Data-Driven Distributionally Robust Optimization (DDRO) approach to manage prosumer uncertainties and outlines a secure coordination method using the Adaptive Alternative Direction Method of Multipliers (ADMM). This chapter underscores how VPPs can improve network stability while maintaining data privacy. Chapter 3 proposes an aggregation strategy leveraging VPPs to combine smaller Battery Energy Storage Systems (BESSs) into portfolios capable of participating in frequency regulation markets. The chapter develops a two-stage bi-level stochastic-robust model to manage market price and outage uncertainties, incorporating the Rainflow Counting Algorithm (RCA) to address battery degradation. This strategy demonstrates how VPPs can enhance the profitability of small-scale energy storage units while supporting grid stability. Finally, Chapter 4 presents a three-step Voltage Regulation (VR) coordination framework designed for VPPs to manage prosumer flexibility in distribution networks. By employing a Wasserstein-based DDRO model and price-based coordination signals, the chapter proposes a bi-level Stackelberg game approach to aggregate smaller prosumers for efficient voltage control. The framework improves VR efficiency and reduces operational costs while maintaining computational efficiency. Collectively, this thesis contributes to the field of power systems by providing innovative models and strategies for the operation and optimization of VPPs, offering insights into their practical applications and future research directions.

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.

Avec la croissance des nouvelles technologies émergentes dans les réseaux de distribution, tels que les éoliennes, les panneaux solaires, les véhicules électriques et les sources de génération distribuées, la nécessité d'étudier simultanément les réseaux de transmission et de distribution (T&D) et leurs interactions bilatérales ne peut plus être négligée. Une forte pénétration des sources d'énergie renouvelable, naturellement stochastiques, peut inverser le flux d'énergie, ce qui ne rentre pas dans le paradigme d’un écoulement de puissance à flux descendant qui caractérise les systèmes d'alimentation conventionnels. Par conséquent, les méthodes d'étude de réseaux telles que le fux de puissance optimal (Optimal Power Flow), l'engagement des groupes de production (unit commitment) et l'analyse de la stabilité doivent être revisitées. Cette thèse propose l'application de systèmes de stockage d'énergie sur batterie (BESS) dans un cadre intégré de T&D minimisant les impacts négatifs des énergies renouvelables insérées dans le réseau de distribution ou chez le client. Les BESS peuvent être interprétés comme des équipements flexibles supplémentaires, contrôlés à distance et/ou localement, qui absorbent ou libèrent des puissances actives et réactives et améliorent l'efficacité globale du système T&D au complet du point de vue de la stabilité et de la performance dynamique. Selon la pratique courante, les études des systèmes T&D intégrés peuvent être classées en sous-groupes d’études dynamiques vs stationnaires ou en sous-groupes d’études de cooptimisation vs co-simulation. Suivant la même approche, l’analyse à l’état d’équilibre est d’abord lancée par un nouvel outil d’allocation optimisée stochastique de BESS (VSCSOBA) à contrainte de stabilité de tension. L'outil d'optimisation développé basé sur GAMS à deux niveaux prend en compte les BESS et des modèles détaillés de ressources énergétiques distribuées stochastiques tout en minimisant principalement les pertes de puissance active, mais les écarts de tension, les coûts de délestage, l'augmentation de la capacité de charge (chargeabilité ou « loadbility ») ainsi que la réduction de la vulnérabilité sont aussi des fonctions objectives qui ont été considérées. L’applicabilité de l’outil proposé a été confirmée sur des cas d’utilisation basés sur des réseaux T&D benchmark de l’IEEE comportant des centaines de variables et contraintes. Dans la partie suivante, l'architecture du framework de co-simulation, ainsi que les différents acteurs clés qui y participent seront examinés. Les objectifs de cette partie sont les suivants : développer, simuler et résoudre des équations algébriques de chaque niveau indépendamment, à l'aide de simulateurs bien connus, spécifiques à un domaine (c’est-à-dire, transport vs distribution), tout en assurant une interface externe pour l'échange de données. L'outil d'interface devrait établir une connexion de partage de données robuste, fiable et bilatérale entre deux niveaux de système. Les idées et les méthodologies proposées seront discutées. Pour completer cette étude, La commutation optimale de réseaux de transport (Optimal Transmission Switching) en tant que nouvelle méthode de réduction des coûts d'exploitation est considérée d'un point de vue de la sécurité, en assument ou non la présence des BESS. De toute évidence, l'OTS est un moyen efficace (tout comme la référence de tension ou le contrôle des références de puissances P-Q) qui s’avère nécessaire dans le cadre T&D intégré, tel que nous le démontrons à travers divers cas d'utilisation. Pour ce faire, afin de préserver la sécurité des systèmes de transport d'électricité contre les attaques ou les catastrophes naturelles telles que les ouragans et les pannes, un problème OTS stochastique orienté vulnérabilité (VO-SOTS) est également introduit dans cette thèse tout en considérant l'incertitude des charges via une approche par échantillonage de scénarios respectant la distribution statistique des incertitudes. / With the growing trend of emerging new technologies in distribution networks, such as wind turbines, solar panels, electric vehicles, and distributed generations, the need for simultaneously studying Transmission & Distribution (T&D) networks and their bilateral interactions cannot be overlooked anymore. High penetration of naturally stochastic renewable energy sources may reverse the energy flow which does not fit in the top-down energy transfer paradigm of conventional power systems. Consequently, network study methods such as optimal power flow, unit commitment, and static stability analysis need to be revised. This thesis proposes application of battery energy storage systems (BESS) within integrated T&D framework minimizing the adverse impacts of renewable energy resources. The BESSs can be interpreted as additional flexible equipment, remotely and/or locally controlled, which absorb or release both active and reactive powers and improve the overall efficiency of the complete T&D system from both steady-state and dynamic viewpoints. As a common practice, the integrated T&D framework studies are categorized into either dynamic and steady-state subcases or co-optimization framework and co-simulation framework. Following the same approach, the steady-state analysis is first initiated by a novel voltage stability constrained stochastic optimal BESS allocation (VSC-SOBA) tool. The developed bi-level GAMS-based optimization tool takes into account BESSs and detailed models of stochastic distributed energy resources while minimizing active power losses, voltage deviation, load shedding costs, increasing loadability, and vulnerability mitigation are objective functions. The applicability of proposed tool has been confirmed over large IEEE recognized T&D benchmarks with hundreds of variables and constraints. In the next part, the architecture of co-simulation framework and different key players will be investigated. The objectives of this part are set as: developing, simulating, and solving differential and algebraic equations of each level independently, using existing well-known domain-specific simulators, while externally-interfaced for exchanging data. The interface tool should stablish a robust, reliable, and bilateral data sharing connection between two levels of system. The ideas and proposed methodologies will be discussed. To complete this study, optimal transmission switching (OTS) as a new method for reduction of operation costs is next considered from a security point of view. It is shown clearly that OTS is an effective mean (just like voltage reference or P-Q reference control), which is necessary in the integrated T&D framework to make it useful in dealing with various emerging use cases. To do so without impeding the security of power transmission systems against attacks or natural disasters such as hurricane and outages, a vulnerability oriented stochastic OTS (VO-SOTS) problem is also introduced in this thesis, while considering the loads uncertainty via a scenario-based approach.

Dans ce mémoire, des questions associées à la simulation en régime transitoire et à l'intégration au réseau de distribution d'une génératrice asynchrone privée (« NUIG : Non-Utility Induction Génération ») sont étudiées. L'objectif de ce travail est de vérifier l'influence de différents facteurs tels le niveau et l'emplacement de la charge et de la compensation capacitive ainsi que le type de charge sur les phénomènes d'auto-excitation de la génératrice asynchrone et les surtensions indésirables qui résultent d'un défaut et/ou d'une condition d'îlotage. Les résultats de simulation montrent que les phénomènes d'auto-excitation semblent très complexes et multidimensionnels et ils impliquent l'interaction de différents facteurs. Les courbes obtenues dépendent fortement des spécifications du système et il est difficile de dériver des critères précis qui puissent être appliqués de façon générale à tous les cas d'intégration de la génération asynchrone au réseau. Cependant, des principes directeurs pratiques pour limiter l'occurrence de l'auto-excitation ont été dérivés et selon ces principes directeurs, un système de protection et un réglage de rélai recommandés sont présentés pour l'interconnexion de génératrices asynchrones privées (« NUIG ») au réseau de distribution. / In this thesis, some topics related to the dynamic simulation and operations of Non-Utility Induction Generation (NUIG) are investigated. The objective of this thesis is to put focus on the influence of different factors such as load and capacitive compensation levels and positions as well as load type on induction generator self-excitation phenomenon and related overvoltages, resulting from a fault and/or an unwanted islanding condition. The results of simulations showed the self-excitation phenomenon appear to be very complex and multidimensional and implying the interaction of many different factors. The obtained curves and behaviors highly depend on the system specifics, and it is difficult to drive precise criteria applicable in a general manner to ail cases of generation’s integration. However, practical guidelines to limit the occurrence of self-excitation have been derived and, as per these guidelines, recommended protection System and relay settings are presented for interconnection of NUIGs to the distribution networks.

Depuis le début des années 1990, l'ouverture à la concurrence, les nouvelles normes réglementaires et la transformation du rôle de l'État et des collectivités locales ont mis en cause les modèles historiques de régulation des services d'eau, d'électricité et de télécommunications, en accordant une place centrale à la relation marchande. En parallèle, les entreprises se sont lancées dans de profondes réformes organisationnelles afin de promouvoir de nouvelles logiques commerciales et gestionnaires et de renforcer le degré de prise en compte des attentes des clients. En se fondant sur une démarche de sociologie politique, l'objet de la thèse est d'étudier comment les nouvelles stratégies et pratiques des acteurs du système de régulation État, collectivités locales, autorités de régulation, entreprises, associations de consommateurs tendent à modifier le statut de l'usager. Pour cela, une grille d'analyse a été élaborée grâce à la construction de trois figures théoriques de l'utilisateur : le consommateur, le client et le citoyen. Les résultats soulignent que les réformes et les mutations des services de réseaux entraînent une domination de la figure du consommateur. Le passage de l'usager au consommateur s'illustre par la prégnance croissante du référentiel consumériste : vérité des prix, évaluation des performances, standards de qualité, dispositifs de protection du consommateur individuel. Cependant, la domination du consommateur ne se traduit pas par une exclusion des enjeux de citoyenneté. Certes, les problématiques de cohésion socio-territoriale ne sont pratiquement plus présentes parmi les revendications des usagers, alors quelles constituaient le cœur du modèle de service public bâti après-guerre. Mais de nouveaux enjeux émergent parfois rapidement autour de deux thématiques : la transparence de gestion des services urbains et la protection de l'environnement.

Nous nous intéressons dans cette thèse aux problèmes d'optimisation de systèmes de grande taille en environnement incertain et plus particulièrement à la résolution de leurs équivalents déterministes par des méthodes de décomposition de type proximal. L'application sous-jacente que nous avons à l'esprit est celle de la gestion optimale de la production électrique d'EDF soumise aux aléas climatique, de marche et de consommation. Nous mettons 'a plat les couplages naturels espace-temps- aléas liés à cette application et proposons deux nouveaux schémas de discrétisation pour le couplage des aléas, bas'es sur l'estimation non-paramétrique de espérance conditionnelle, qui constituent des alternatives à la construction d'arbres de scénarios. Nous nous intéressons ensuite aux méthodes de décomposition en travaillant sur un modèle général, celui de la minimisation d'une somme de deux fonctions convexes, la première séparable et l'autre couplante. D'une part, ce modèle simplifie nous exonéré de la technicité due à un choix particulier de cou- plage et de sous-système. D'autre part hypothèse de convexité permet de tirer parti de la théorie des opérateurs monotones et de l'identification des méthodes proximales comme des algorithmes de points fixes. Nous mettons l'accent sur les propriétés différentielles des opérateurs de réflexion généralisée dont on cherche un point fixe, qui permettent de borner la vitesse de convergence. Nous étudions ensuite deux familles d'algorithmes de décomposition-coordination issues des méthodes dites d'éclatement d'opérateurs, à savoir les méthodes Forward-Backward et de type Rachford. Nous suggérons quelques techniques d'accélération de la convergence des méthodes de type Rachford. Pour cela, nous analysons dans un premier temps la méthode d'un point de vue théorique, fournissant ainsi des explications à certaines observations numériques, avant de proposer des améliorations en réponse. Parmi elles, une mise a' jour automatique du facteur d'échelle permet de corriger son éventuel mauvais choix initial. La preuve de convergence de cette technique se voit facilitée grâce aux résultats de stabilité de certaines lois internes vis a' vis de la convergence graphique établis en amont. Nous soumettons aussi l'idée d'introduire des "sauts" dans la méthode lorsqu'elle est appliquée à des problèmes polyédraux, en fondant nos argument sur la géométrie formée par la suite des itérés. En dernier lieu, nous montrons qu'il est possible, en ajoutant un mécanisme de contrôle, de s'affranchir de la résolution de tous les sous-problèmes à chaque itération en préservant la convergence globale. L'intérêt pratique de ces suggestions est confirmé par des tests numériques sur le problème de gestion de production électrique.

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Notre travail de thèse s'intéresse au courant de la dynamique concurrentielle et à l'étude de la rivalité entre entreprises. Il propose d'approfondir ces travaux et notamment la concurrence multimarchés (appelée aussi compétition multipoints) dans les secteurs en cours de libéralisation (industries de réseaux). En effet les comportements concurrentiels durant les processus de libéralisation restent aujourd'hui encore mal connus.<br />Pour conduire cette recherche, nous avons choisi d'étudier une série de cas d'entreprises (EDF, Electrabel, Endesa, Enel, Gaz de France, Poweo, Direct Energie...), actives sur le marché français de l'électricité actuellement en cours de libéralisation (1996 – 2006). Cette recherche qualitative conduite par études de cas longitudinales, s'inscrit dans le cadre d'une convention CIFRE (entre le Ministère de la Recherche & la société Electrabel France) incluant une implication forte dans la vie de l'entreprise et du secteur.<br /><br />Grâce à l'utilisation des séquences stratégiques multidimensionnelles, nous avons identifié deux périodes stratégiques, caractérisées pour la première, par une logique d'affrontement puis la seconde par une logique de retenue mutuelle. Nous défendons l'idée qu'après une première phase d'apprentissage des règles d'un nouveau marché libéralisé (affrontement, diversification, internationalisation), les opérateurs ont rapidement et collectivement repositionné leurs priorités sur une stratégie européenne focalisée sur la convergence gaz – électricité. La mise en place d'une compétition multimarchés a entraîné l'apparition d'une retenue mutuelle, particulièrement profitable pour les grands acteurs. La conduite d'une stratégie intégrée (marché & hors marché) ressort comme une variable importante dans la conduite et la légitimation de ces comportements.

La thèse porte sur une décomposition explicite de Föllmer-Schweizer d'une classe importante d'actifs conditionnels lorsque le cours du sous-jacent est un processus à accroissements indépendants ou une exponentielle de tels processus. Ceci permet de mettre en oeuvre un algorithme efficace pour établir des stratégies optimales dans le cadre de la couverture quadratique. Ces résultats ont été implémentés dans le cas du marché de l'électricité.

Ce mémoire vise à mesurer l'impact de la réglementation et de la privatisation sur l'indutrie de l'électricité dans 19 pays membres de l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE). Un modèle économétrique a été construit à partir de données de panel de 1987 à 2006 et on trouve que la concurrence dans le marché de détail a un effet négatif sur les prix industriel et résidentiel. La séparation légale et comptable du secteur de la génération et de la transmission a quant à elle un effet positif sur le prix résidentiel. On cherche également à établir un lien entre ces résultats et l'industrie de l'électricité au Québec. Suite à une analyse des coûts marginaux de court et de long terme de la production d'électricité, nous trouvons que la tarification devrait être plus élevée en période de pointe, afin d'envoyer un signal cohérent aux consommateurs. En 1980, la majorité des pays membres de l'OCDE avait une industrie de l'électricité dominée par un monopole verticalement intégré. En 1990, le Royaume-Uni entreprenait une vaste opération de libéralisation et de privatisation de son industrie dans le but d'améliorer l'efficacité de celle-ci. Plusieurs autres pays ont par la suite entrepris des réformes similaires. Au Québec, Hydro-Québec Transénergie a été créée en 1997 et la Régie de l'énergie en 1996. Depuis quelques années, un débat public est engagé sur la privatisation d'Hydro-Québec et ce mémoire a comme objectif de mesurer empiriquement l'effet de ces réformes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Réglementation électricité, Privatisation électricité, Modèle linéaire données de panel, Coût marginal électricité, Tarification électricité, Hydro-Québec.