A partir de l’étude d’une structure composite multifonctionnelle prédéfinie, cette thèse a pour objectif l’analyse du comportement thermomécanique et des modes d’endommagement d’une structure composite intégrant des conducteurs électriques. Des éprouvettes représentatives sont fabriquées et testées sous différentes conditions mécaniques, thermiques et électriques. L’influence des chargements mécaniques hors-plan, et plus particulièrement d’un impact basse énergie, sur la fonctionnalité électromécanique de la structure est ensuite étudiée. Des mesures de résistance électrique et te tension de claquage sont réalisées afin de déterminer les performances électriques post-impact de la structure. L’échauffement résistif interne des conducteurs, conjugué à l’environnement thermique d’une structure aéronautique nous invite finalement à étudier le comportement thermomécanique de tels assemblages multicouches et multi-matériaux. Nous présentons donc une méthodologie de caractérisation du comportement thermomécanique d’un assemblage sandwich multicouche via l’analyse de ses composants pris séparément et caractérisés par des analyses mécaniques dynamiques (DMA). La contribution majeure de ce travail réside dans la détermination de critères de dégradation électrique, et de dimensionnement, pour le développement de structures composites intégrant des conducteurs électriques. / From the study of a particular multifunctional composite structure, this thesis aims at analyzing the thermomechanical behavior and failure modes of a composite structure embedding electrical wires. Representative test specimens embedding flat electrical cables are manufactured and tested under various conditions. The influence of out-of-plane loadings, and especially of low energy impacts on the electro-mechanical functionality of the structure is then investigated with both experimental and numerical considerations. Post impact electrical tests such as resistance measurements and dielectric strength tests are carried out to investigate on the post-impact electrical performances of the structure. Then, resistive heating of the embedded electrical components combined to the thermal environment of an aerospace structure lead us to further investigate on the thermo-mechanical behaviour of such multi-layered multi-materials structures. Hence, a methodology using Dynamic Mechanical Analysis (DMA) testings is developed to characterize both the temperaturedependent stiffness of the constituents, and the resulting thermo-mechanical behaviour of the assembly. The main contribution of this work consists in determining electrical degradation and sizing criteria for the development of robust composite structures embedding electrical wires.

Les molécules hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) sont supposées responsables de bandes d’émission infrarouge spécifiques dans le milieu interstellaire (MIS). Les zones froides et denses du MIS, telles que les nuages moléculaires, abritent des grains de poussière dont le manteau est majoritairement composé de glace d’eau. L’interaction du PAH avec la glace tend d’une part à modifier ses propriétés spectroscopiques et d’autre part, sous irradiation UV, à induire une réactivité spécifique. Notre travail théorique s’inscrit dans ce cadre et vise à étudier l’influence de la glace sur les propriétés énergétiques et spectroscopiques des PAH, en lien avec des expériences de laboratoire. Dans un premier temps, nous avons simulé des trajectoires d’adsorption de PAH à la surface de glaces amorphe et cristalline par dynamique moléculaire classique sur la base d’une approche champ de force. Une méthodologie rigoureuse a été développée pour paramétrer les charges des différents PAH. L’énergie d’adsorption d’un certain nombre de PAH a pu être ainsi déterminée et une corrélation a été établie entre site d’adsorption et présence de liaisons pendantes à la surface. Puis les configurations générées ont été utilisées pour des calculs SCC-DFTB : les spectres vibrationnels, harmoniques et anharmoniques pour les différents PAH et types de glace ont été déterminés. Les décalages ou émergences de bandes identifiées sur les spectres calculés ont été comparés aux données expérimentales. L’influence de l’organisation locale des molécules d’eau environnantes sur le potentiel d’ionisation vertical a été caractérisée, ce processus pouvant impacter les états précurseurs à la réactivité. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) molecules are thought to be responsible for specific infrared emission bands in the interstellar medium (ISM). The cold and dense areas of the ISM, such as molecular clouds, contain dust particles whose mantle is predominantly composed of water ice. The interaction of PAH with ice tends, on the one hand, to modify its spectroscopic properties and, on the other hand, under UV irradiation, to induce a specific reactivity. Our theoretical work falls within this framework and aims to study the influence of ice on the energetic and spectroscopic properties of PAH, in connection with laboratory experiments. First, we have simulated the adsorption of PAH at the surface of amorphous and crystalline ice by classical molecular dynamics based on a force-field approach. A rigorous methodology has been developed to parameterize the charges of the different PAH. The adsorption energy of a various PAHs could thus be determined and a correlation was established between the adsorption sites and the presence of dangling bonds at the surface. Then, the generated configurations were used for SCC-DFTB calculations: the vibrational, harmonic and anharmonic spectra for the different PAHs and types of ice were determined. The shifts or emergences of bands identified on the calculated spectra were compared with the experimental data. The influence of the local organization of the surrounding water molecules on the vertical ionization potential has been characterized, as this process can impact precursor states to reactivity.

Le potentiel de l'énergie solaire comme énergie renouvelable a été largement démontré depuis plusieurs années. Le stockage inter-saisonnier de cette énergie peut être réalisé au moyen d'un nouveau procédé basé sur l'absorption de la vapeur d'eau par une solution saline. L'innovation de ce procédé réside en la cristallisation du sel dans la cuve de stockage pour optimiser les capacités de stockage. Une étude préalable a été réalisée en utilisant le bromure de lithium (LiBr) comme absorbant avec des rendements thermiques très encourageants. Toutefois, son prix élevé ne permet pas d'envisager son utilisation dans un procédé industriel. L'objectif de cette thèse est d'évaluer et de déterminer de nouveaux couples d'absorption potentiellement utilisables industriellement dans ce procédé. Le premier chapitre présente une étude bibliographique des procédés de stockage, plus particulièrement ceux basés sur l'absorption. Les deuxième et troisième chapitres présentent les propriétés thermodynamiques des sels, obtenues par des mesures calorimétriques et de pressions de vapeur, et le calcul des paramètres procédés qui ont conduit au choix du couple de sorption permettant de répondre à l'ensemble des spécifications du procédé. Le quatrième chapitre présente l'étude de l'équilibre solide/liquide/vapeur de ce nouveau couple, pour obtenir l'ensemble des données de base nécessaires pour l'étude de la cristallisation du sel dans l'eau, et sa comparaison avec le couple LiBr/H20. Ce point est présenté dans le dernier chapitre en synergie avec des modélisations CFD des écoulements au sein de la cuve de stockage / The use of solar energy as a renewable energy has been widely demonstrated since many years. Thermal solar energy storage is an interesting way of reducing gas emissions. This storage can be achieved using water vapor absorption-desorption in a binary system with a desiccant salt. The innovation of this project is the crystallization of the salt solution as its temperature falls under the storage temperature to optimize the storage capacity. A previous work was realized using LiBr as absorbent. In spite of its interesting efficiency, two major drawbacks have been underlined: its price and its low storage capacity. This work is dedicated to evaluate and characterize new potential candidates of absorbent usable in the industrial process. The first chapter presents a bibliography report of the various thermal energy processes. The second and third chapters display the thermodynamical properties of the selected binary systems, calculated from calorimetric and vapor pressure measurements, and calculated process parameters which lead to select the new absorbent. The fourth chapter is based on the study of the solid/liquid/gas equilibrium of the new binary system and of LiBr/H20 to characterize the crystallized phases in many different equilibrium states. Finally, the last chapter presents a preliminary study of the CFD modeling of the non-isothermal flow in the storage tank and the suggested geometries tested for the crystallization of KHCOO in the storage tank

L'évolution du stockage d'énergie permet de développer des méthodes innovantes de gestion de l'énergie à une échelle locale. Les micro réseaux électriques sont une forme émergente de petits réseaux électriques munis de production locale, de stockage d'énergie et en particulier d'un système de gestion de l'énergie (EMS pour Energy Management System). De nombreuses études et recherches scientifiques ont été menées pour proposer diverses stratégies d'implémentation de ces EMS. Néanmoins il n'existe pas à ce jour d'articulation claire et formelle de ces méthodes permettant leur comparaison. L'une des principales difficultés pour les EMS, est la gestion des dynamiques des différents systèmes énergétiques. Les variations de courant vont à la vitesse de l'électron, la production d'énergie solaire photovoltaïque varie au gré des nuages et différentes technologies de stockages peuvent réagir plus ou moins vites à ces phénomènes imprévisibles. Nous étudions dans ce manuscrit, un formalisme mathématique et des algorithmes basés sur la théorie de l'optimisation stochastique multi-étapes et la Programmation Dynamique. Ce formalisme permet de modéliser et de résoudre des problèmes de décisions inter-temporelles en présence d'incertitudes, à l'aide de méthodes de décomposition temporelle que nous appliquons à des problèmes de gestion de l'énergie. Dans la première partie de cette thèse, "Contributions à la décomposition temporelle en optimisation stochastique multi-étapes", nous présentons le formalisme général que nous utilisons pour décomposer en temps les problèmes d'optimisation stochastique avec un grand nombre de pas de temps. Nous classifions ensuite différentes méthodes de contrôle optimal au sein de ce formalisme. Dans la seconde partie, "Optimisation stochastique de stockage d'énergie pour la gestion des micro réseaux", nous comparons différentes méthodes, introduites dans la première partie, sur des cas réels. Dans un premier temps, nous contrôlons une batterie ainsi que des ventilations dans une station de métro récupérant de l'énergie de freinage des trains, en comparant quatre algorithmes différents. Dans un second temps, nous montrons comment ces algorithmes pourraient être implémentés sur un système réel à l'aide d'une architecture de contrôle hiérarchique de micro réseaux électrique en courant continu. Le micro réseaux étudié connecte cette fois ci de l'énergie photovoltaïque à une batterie, une super-capacité et à une charge électrique. Enfin nous appliquons le formalisme de décomposition par blocs temporels présenté dans la première partie pour traiter un problème de gestion de charge de batterie mais aussi de son vieillissement long terme. Ce dernier chapitre introduit 2 algorithmes basés sur la décomposition par blocs temporels qui pourraient être utilisés pour le contrôle hiérarchique de micro réseaux ou les problèmes d'optimisation stochastique présentant un grand nombre de pas de temps. Dans la troisième et dernière partie, "Logiciels et expériences", nous présentons DynOpt.jl un paquet développé en langage Julia qui a permis de développer toutes les applications de cette thèse et bien d'autres. Nous étudions enfin l'utilisation de ce paquet dans un cas de pilotage réel de système énergétique : la gestion intelligente de la température dans une maison de l'équipement Sense City / The development of energy storage paves the way to innovative methods to manage energy at a local scale. Micro grids are a novel kind of electrical grids with local production (renewable and waste energy), local demand, local storage and an Energy Management System (EMS). A wide literature already studies EMS implementations in micro grids but the produced methods are not exhaustively framed and compared. One of the main difficulty in micro grids energy management is to handle the different dynamics of electrical devices. Current variations are lighting fast, solar power changes quickly, different kind of storage react at different paces and batteries ageing is a slow process. We studya mathematical framework and algorithms, based on multistage stochastic optimization theory and Dynamic Programming, to model and solve energy management problems in micro grids with time decomposition methods. In the first part of this thesis, Contributions to time decomposition in multistage stochastic optimization, we present a general framework to decompose temporally large scale stochastic optimization problems into smaller subproblems. We then classify multiple existing resolution methods inside this framework. In the second part, Stochastic optimization of energy storage for management of micro grids, we compare different methods presented in the first part on realistic applications. First we control a battery and a ventilation in a subway station recovering subways braking energy with four different algorithms. Then we present how these results could be implemented on a real micro grid. We implement a fast online control method to stabilize the voltage in a simulated islanded DC micro grid connecting solar panels, an electrical load and two sorts of energy storage: a battery and a supercapacitor. Finally we apply our time decomposition framework to a problem of long term aging and energy management of a storage in a micro grid. This last chapter introduces a framework to model time decomposition of micro grids hierarchical control architectures, as well as two algorithms to solve temporally large scale stochastic optimization problems.In the third part, Softwares and experimentations, we present DynOpt.jl, a Julia language package developed to produce all the results of this thesis and more. Then we study an application of this software to the control of a real test bed: the energy aware temperature regulation of a real house in the equipment named "Sense City"

Motivé par le fort potentiel scientifique et technologique de l'infrarouge moyen (3-20 µm), le développement de sources lumineuses intenses dans cette région du spectre électromagnétique a subi un essor considérable depuis le début des années 2000. On retrouve maintenant une grande variété de lasers et autres sources pouvant émettre au-delà de 3 µm (lasers à fibres, lasers à cascade quantique, systèmes de conversion paramétrique, lasers à l'état solide, etc). Toutefois, malgré la panoplie d'options ayant émergées pour tester les nouvelles possibilités offertes par l'infrarouge moyen, plusieurs défis restent encore à relever au niveau des sources. Notamment, les enjeux de couverture spectrale, d'efficacité et de simplicité d'utilisation et de fabrication des sources sont encore omniprésents. À titre d'exemple, peu de lasers peuvent produire des impulsions courtes (sub-picosecondes) dans l'infrarouge moyen, et seuls les plus complexes et coûteux d'entre eux peuvent accorder ces impulsions sur une grande plage spectrale, s'accompagnant d'une efficacité énergétique globale très faible. D'autre part, ces problèmes de couverture spectrale, de simplicité et d'efficacité se retrouvent également chez les sources supercontinuum utilisées pour les applications requérant un spectre large couvrant en totalité ou en partie la région de 3 à 5 µm, qui contient de nombreuses résonances moléculaires utiles en spectroscopie (hydrocarbones et oxydes simples). Bien que ces sources produisent un spectre très large à partir d'un système tout fibre et des puissances moyennes pouvant atteindre plusieurs Watts, elles ont le désavantage de générer une grande proportion de leur énergie en-deçà de 3 µm (habituellement entre 40 et 90%), de produire un spectre peu uniforme, et ont beaucoup de difficulté à couvrir la totalité de la fenêtre de 3 à 5 µm. Constatant ces défis, l'objectif global de cette thèse était de faciliter et d'améliorer la conversion et la génération de spectre dans la région de 3 à 5 µm. Comme première contribution de cette thèse, une nouvelle méthode de génération de supercontinuum a été démontrée, permettant la création d'un spectre plat allant de 2.6 à 4.1 µm à partir d'un système simple et produisant jusqu'à 82% de l'énergie spectrale au-delà de 3 µm (Chapitre 2). En poursuivant avec cette approche, il a été possible d'établir un record pour le supercontinuum le plus large généré dans une fibre de fluoroindate (InF₃), allant de 2.4 à 5.4 µm (Chapitre 3). Les chapitres 4 et 5 avaient pour objectif d'approfondir notre connaissance et d'optimiser les paramètres expérimentaux de cette technique. Finalement, la contribution présentée dans le chapitre 6 a permis de s'attaquer au problème de la disponibilité d'impulsions brèves et accordables dans l'infrarouge moyen à partir de sources plus abordables et pratiques à utiliser que les chaînes lasers à conversion paramétrique. Pour ce faire, nous avons utilisé les phénomènes de fission solitonique et d'autodécalage Raman afin de décaler spectralement et de manière contrôlée des impulsions femtosecondes entre 2.8 µm et 4.8 µm, le tout à partir d'un système fibré. / Motivated by the strong scientific and technological potential of the mid-infrared (3-20 µm), the development of intense light sources in this spectral region experienced considerable growth since the early 2000's. We now have access to a large variety of lasers and other sources emitting beyond 3 µm (fiber lasers, quantum cascade lasers, parametric sources, solid-state lasers, etc). Nonetheless, numerous challenges on the source development side still remain despite the wide array of options that emerged to test the new possibilities offered by the mid-infrared. Notably, the issues of spectral coverage, energy efficiency and ease of use and fabrication are still omnipresent. As an example, few lasers can produce short pulses (sub-picosecond) in the mid-infrared, and only the most complex and costly systems are able to tune those pulses over a significant spectral range, often at the cost of poor energy efficiency. On the other hand, the problems of spectral coverage, simplicity and efficiency are also found in supercontinuum sources used in applications requiring a large spectrum covering all or in part the 3 to 5 µm spectral region, which hosts numerous molecular resonances useful in spectroscopy (such as in hydrocarbons and simple oxides). While these sources can produce a very large spectrum from an all-fiber configuration and reach multiple Watts of average output power, they have the disadvantage of generating a large part of their energy below 3 µm (usually around 40 to 90%), of producing irregular spectral shapes, and have difficulties covering the whole 3 to 5 µm window. Aware of these issues, the general goal of this thesis was to facilitate and improve the conversion and creation of spectral components in the 3 to 5 µm region. As the first contribution of this thesis, a novel supercontinuum generation technique was demonstrated, allowing the creation of a flat spectrum spanning 2.6 to 4.1 µm from a simple system and producing up to 82% of the spectral power beyond 3 µm (Chapter 2). By using a similar approach, we were able to set a new record for the largest supercontinuum in an indium fluoride fiber (InF₃), going from 2.4 to 5.4 µm (Chapter 3). Chapters 4 and 5 aimed to improve our understanding and optimize the experimental parameters of the technique. Finally, the contribution presented in Chapter 6 adressed the lack of short and tunable pulses in the mid-infrared produced by affordable and easy to use sources, as opposed to nonlinear parametric conversion laser systems. To do so, we relied on the solitonic fission and soliton self-frequency shift phenomena to spectrally shift femtosecond pulses between 2.8 µm and 4.8 µm in a controlled manner from a fiberized system.

Ce travail de thèse se situe à l'interface de trois problématiques, que j'explore à l'aide de la propagation des rayons cosmiques de ultra-haute énergie : les sources énergétiques dans l'Univers, les champs magnétiques extra-galactiques et les astroparticules secondaires (neutrinos et rayons gammas). Dans ce manuscrit, je présente d'abord un survol de la situation expérimentale et théorique des rayons cosmiques de ultra-haute énergie ; je détaille ensuite les mécanismes de production des particules secondaires lors de leur propagation, et donne une revue sur les connaissances actuelles sur les champs magnétiques extra-galactiques. Je propose des modélisations semi-analytiques et analytiques du transport des rayons cosmiques dans ces champs, qui ont pour but de pallier la complexité et la mise en oeuvre lourde des outils existants (simulations MHD), tout en prenant en compte des phénomènes physiques probablement décisifs dans le transport des particules chargées, rarement traités dans la littérature (par exemple l'enrichissement magnétique par des sources astrophysiques ou la turbulence à petite échelle). J'ai également développé un outil numérique qui marie et améliore des codes existants pour traiter les processus d'interaction des rayons cosmiques au cours de leur propagation. A l'aide de ces techniques, je traite de nombreux problèmes-clés des rayons cosmiques de ultra-haute énergie, notamment l'influence du champ magnétique sur la coupure à basse énergie de la composante extra-galactique des rayons cosmiques, l'interprétation des résultats d'anisotropie de l'Observatoire Auger, les aspects multi-messagers de sources situées dans les environnements magnétisés.

L'énergie thermique des mers (ETM) offre une alternative intéressante pour la réduction de l'utilisation des énergies fossiles. En utilisant le gradient de température présent entre l'eau de surface et l'eau en profondeur, il est possible de produire de l'électricité grâce à un cycle thermodynamique. Les expérimentations sont peu nombreuses à l'heure actuelle, en raison d'un coût relativement élevé. Une approche fondamentale est donc développée avec la création de modèles numériques en régime permanent et dynamique. Le modèle en régime statique a été développé à partir d'une description mathématique simplifiée des composants du cycle. Ce modèle permet une évaluation globale des performances du système, incluant le prélèvement et le rejet de l'eau de mer ainsi que le cycle thermodynamique. À partir de la modélisation statique, un modèle dynamique a été établi en appliquant la méthode des systèmes équivalents de Gibbs. Cet outil permet de décrire les phases de démarrage et d'arrêt, d'étudier la modulation de la puissance électrique délivrée au réseau et d'optimiser le cycle. Les résultats de simulations des différents modèles sont confrontés à la littérature et à des données expérimentales, afin d'avoir des éléments de validation. L'un des intérêts du modèle en régime dynamique est la possibilité d'effectuer une analyse de type " premier et second principe " du système. Une optimisation du fonctionnement du cycle est réalisée à partir de cette analyse. Des pistes d'améliorations sont proposées. L'optimisation est réalisée grâce au couplage du modèle dynamique avec l'outil Genopt. Les outils numériques développés permettront d'élaborer des stratégies de contrôle des installations.

L'objectif principal des réseaux électriques est de convertir l'énergie d'une forme naturelle à la forme électrique et aussi de la distribuer aux clients avec la meilleure qualité. L'énergie électrique est une des formes d'énergie les plus utilisées dans l'industrie, dans les résidences, aux bureaux et dans le transport. Présentement, la complexité des réseaux électriques augmente continuellement en raison de la croissance des interconnexions et de l'utilisation des nouvelles technologies. Également, la croissance de la demande d'énergie électrique a forcé l'utilisation des réseaux électriques à leur capacité maximale et donc près de la limite de stabilité. Dans ces conditions, si le système est soumis à une perturbation, la chute de la tension ou celle de la fréquence serait très probable. Par conséquent, les équipements de contrôle, qui constituent une structure avec plusieurs niveaux de contrôle, peuvent aider les réseaux électriques à surmonter les événements imprévus. Les récentes pannes dans les réseaux électriques démontrent le besoin urgent d'une structure de contrôles multi-niveaux basés sur une technologie avec très rapide réponse appelée en anglais Wide Area Measurement and Control system (WAMAC). Présentement, le Wide Area Measurement System (WAMS) qui utilise le Global Positioning System (GPS) et la technologie satellite, joue un rôle important dans différentes parties du système de contrôle des réseaux électriques pour emp^echer les pannes globales ou locales du système. Les informations transférées par cette technologie seraient employées dans un contrôleur global appelé Wide Area Controller en anglais pour améliorer la performance dynamique des réseaux électriques pendant et après les perturbations. Donc, pour implémenter un Wide-Area Controller dans cette thèse, nous présenterons un plan multi-étapes pour l'amélioration de la stabilité du système et l'amortissement des oscillations du réseau. La première étape de ce plan serait l'estimation d'état dynamique des réseaux électriques en utilisant des phaseurs qui sont accessibles de Phasor Measurement Unit (PMU). Les angles des machines synchrones estimés à la première étape, qui pourrait nous montrer l'état des oscillations du réseau, seront utilisés comme des signaux d'entrée pour le contrôleur. La deuxième étape de notre plan est de trouver les meilleurs eplacements des dispositifs FACTS sur le réseau électrique pour augmenter la puissance transmise dans le réseau, maximiser la chargeabilité et minimiser les pertes. Après le placement optimal des dispositifs FACTS, la troisième étape consiste à implémenter le Wide-Area Controller. Ce contrôleur reçoit les états estimés, qui sont disponibles à partir des résultats de la première étape, et d'autres informations de partout dans le réseau en utilisant des PMUs. Après la vérification des signaux reçus, le contrôleur commande des contrôleurs locaux, tels que les contrôleurs des dispositifs FACTS qui ont été placés de façon optimale à la deuxième étape. Le contrôleur implémenté modifie les signaux de référence des éléments locaux pour améliorer la performance dynamique du système et amortir les oscillations du réseau. / The main goal of power system is to convert the energy from one of its natural forms to the electrical form and deliver it to the costumers with the best quality. So far, the complexity of power system is continually increasing because of the growth in interconnections and use of new technologies. Also, the growth of electrical energy demand has forced the power networks to work with the maximum possible capacity and in turn near the stability limits. In this condition, if the system is subjected to a disturbance, the voltage or frequency collapse events would be more probable. Therefore the control equipments, which constitute a multi level control structure, can help the power system to overcome the contingencies. Recent collapse events in the power system networks show the urgent need for such a multi level control structure based on a rapid response technology such as Wide Area Measurement and Control (WAMAC). Nowadays, the wide area measurement and monitoring, which uses the Global Positioning System (GPS) and satellite technology, plays an important role in different parts of power system control strategies to prevent from global or local collapses. The information transferred by this technology would be employed in a master central controller, called wide area controller, to improve the power system dynamic performance during and after disturbances. From this point of view, in this thesis we will present a multi-step plan for system stability improvement and network oscillations damping by implementing a FACTS-based wide-area power oscillation damper (WA-POD) controller. The frrst step of this plan would be the dynamic state estimation of power system using the phasor measurements signals accessible from Phasor Measurement Units (PMUs). The estimated rotor angles of the synchronous machines from the first step, which could show us the network oscillations condition, will be used as the input signals of the wide-area controller. The second step of this plan is to find the best locations of FACTS devices to increase the power transmitted by network, maximize the system loadability and minimize the transmission line losses. After optimal placement of FACTS controllers, the third step is to implement a wide-area damping controller which receives the estimated rotor angles, available from the results of step one, and other information from all over the network, and then modifies the set points of optimized local control utilities such as FACTS device controllers. The implemented wide area controller, which acts as a master controller, sends the reference signals and setpoints to the local FACTS controllers such as UPFC to improve the oscillations damping performance. This result in higher transfer limits across major transmission interfaces and less blackouts in terms of frequency, duration and consequences.

Les réseaux électriques sont sujets aux aléas divers pouvant éventuellement mettre en péril leur sûreté. Des évènements résultants de l’aléa météorologique ou de la défaillance stochastique des composants du réseau tels qu’une fluctuation de températures hors saison ou la perte d’une unité de production, peuvent causer des déséquilibres inattendus entre l’offre et la demande et entraîner des délestages. Pour faire face à ces aléas, des marges de puissance ou "réserve" sont ménagées par rapport au strict équilibrage de l’offre et de la demande prévisionnelle. Cependant, déterminer la quantité de réserve suffisante pour une opération fiable et rentable est un problème difficile à résoudre, particulièrement en présence d’incertitude croissante due à la libéralisation du marché de l’électricité et à la pénétration à grande échelle des éoliennes sur le réseau. L’approche déterministe considère un niveau de réserve statique du jour pour le lendemain. L’énergie éolienne étant faiblement prévisible, de la réserve supplémentaire est requise pour pallier l’intermittence du vent. Parce que les éoliennes ne sont pas distribuables, les générateurs conventionnels ont été laissés sous pression en répondant aux variations larges et rapides de la charge nette du réseau. Étant données les contraintes de rampe qui limitent leur flexibilité, le bon fonctionnement du marché de l’électricité peut être altéré parce que les transactions d’énergie qui y sont contractées risquent de ne pas être réalisées en temps réel comme convenu pour des raisons de sécurité. Dans ce contexte, l’utilisation de l’approche déterministe à elle seule comme c’est le cas aujourd’hui, pourrait ne pas être économique ou fiable pour contenir les risques encourus; d’où la nécessité des méthodes sophistiquées basées sur une représentation plus complexe de l’incertitude. Cette thèse propose des solutions viables et efficientes à l’incertitude croissante dans l’opération à court terme des réseaux électriques en présence d’éoliennes à grande échelle et dans un contexte de compétition. Le caractère conservatif de la méthode déterministe a été grandement amélioré par une génération de réserve supplémentaire, contrôlable, et qui tient en compte l’aspect stochastique des éoliennes. La mutualisation des capacités via l’interconnexion permet d’alléger la contrainte d’équilibrage du réseau et de réduire les secousses autour des générateurs conventionnels. Afin de faciliter les transactions d’énergie sur le marché, des règles ont été élaborées pour inciter la mise en disponibilité des générateurs à larges paliers de rampes. Un problème combiné de la programmation des centrales et de transit optimal de puissance incorporant tous les objectifs sus-cités a été formulé. Traduit en programmation mixte quadratique car générant des solutions faisables dont le niveau d’optimalité est connu, celui-ci a été utilisé pour investiguer divers effets de l’interconnexion sur la réduction des coûts d’exploitations associés à plus d’éoliennes sur le réseau. Enfin et surtout, la capacité de notre modèle à résister aux contingences a été validée avec un modèle qui tient compte de l’aspect aléatoire des composants du réseau à tomber en panne. Ce qui nous a permis d’ajuster notre stratégie du marché du jour pour le lendemain par rapport à celui du temps réel. Notre modèle se distingue par sa rapidité et sa capacité `a révéler les coûts cachés de l’intégration des éoliennes dans les réseaux électriques. / Power grids are subject to a variety of uncertainties that may expose them to potential safety issues. Interruptions in electricity supply for instance, may result from an unseasonable temperature fluctuations or a power station outage, which are events of stochastic nature involving the weather or the failure of a component in the grid. The result may be sudden imbalances in supply and demand, leading to load interruptions. To plan for such unforeseen events, the grid carries ’reserve’, i.e., additional capacity above that needed to meet actual demand. However, scheduling the appropriate amount of reserve needed for a reliable and cost-effective grid operation is very challenging, especially in the context of increased uncertainties due to liberalization and the large-scale wind electric generators (WEGs) penetration to grid. Traditional grids assume a fixed knowledge of system conditions for the next day. Wind power being very poor to predict, an extra reserve generation to accommodate its uncertainty is required. Because WEGs aren’t built around spinning turbines, conventional units have been left stressed while responding to large and fast variations in the system net load. Given the temporal operating restrictions that limit their flexibility, the properly functioning of the electricity market can be altered as the energy transactions may not be carried out in realtime, exactly as agreed for security reasons. In this context, the use of the deterministic criteria alone as is the case today, may not be economical or reliable in limiting the risk of uncertainty; calling for sophisticated methods based on more-complex characteristics of uncertainty. This thesis proposes reliable and sound solutions to the increased variability and uncertainty in short-term power grid operations emanating from increasing the share of WEGs in the generation mix and competition from electricity markets. The conservativeness of the deter ministic method has been greatly improved with an adjustable extra generation reserve that accounts for the stochastic feature of WEGs. An inherent flexibility–design that attempts to reduce the onus placed on conventional units to balance the system has been considered. In doing so, the jerkings around these units while responding to large and fast variations in the system net load have been considerably mitigated. Adequate market policies that incentivize flexible resources to make their units with higher ramp rates available to follow dispatch signals have been crafted, thereby avoiding potential reliability degradation or costly out-ofmarket actions. A combined Security Constrained Unit Commitment (SCUC) and Optimal Power Flow (OPF) optimization problem that encompasses all the above mentioned goals has been formulated. Translated into a Mixed Integer Quadratic Programming (MIQP) problem that can return a feasible solution with a known optimality level, the SCUC-OPF engine has been used to investigate various effects of grids integration on reducing the overall operating costs associated with more wind power in the system. Last but not least, the effectiveness of our model to withstand contingencies has been done with a probabilistic model benchmark that accounts for the random nature of grid failure. This allows the adjustment of the Day- Ahead Market (DAM) strategy with respect to the Real-Time Market (RTM). Our model is proven to be more acceptable as it is time-saving, and has particular implications for wind integration studies as it can reverse the hidden cost of integrating WEGs to grid.

Toute déséquilibre entre génération de puissance et consommation de charge doit être corrigée rapidement afin d’éviter une déviation de fréquence qui risquerait de menacer la stabilité et la sécurité du réseau électrique. La génération est typiquement centralisée à quelques endroits sur le réseau électrique, par contre la charge est fortement distribuée partout sur le réseau. Comparés à la plupart des générateurs conventionnels, les dispositifs de commutation toutou- rien installés du côté de la demande permettent aux charges de réagir plus rapidement aux perturbations du système. Cette caractéristique, associée aux nouvelles technologies de mesures, de télécommunication, et de calcul à haute performance, permettent d’agir efficacement sur les dispositifs du côté de la demande et font de ces dispositifs des candidats idéaux pour la régulation des fréquences primaires. Cette thèse propose trois solutions permettant de pallier aux limites de performance des approches de contrôle de charge décentralisées utilisées à ce jour dans les réseaux électriques comportant des ressources distribuées du côté de la charge : *Contrôle de charge optimal amélioré (IOLC) : Nous introduisons une approche améliorée du contrôle de charge optimal (IOLC) en appliquant une méthode systématique de réglage du gain à l’OLC conventionnel. l’Algorithme génétique NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) avec Algorithme de Sélection de logique flou (Fuzzy Selection Algorithm) est employé comme procédure d’ajustement de gain multi-objectif dans l’approche IOLC. Nous montrons par simulation que l’IOLC peut atteindre une meilleure performance générale par rapport à l’OLC, que la boucle d’asservissement turbine-régulateur de vitesse (TG) soit activée ou désactivée. *Contrôle direct de la charge avec une architecture hiérarchique, clairsemée et résiliente : Nous concevons et développons une stratégie hiérarchique de modulation de charge et d’élagage des capteurs pour l’amélioration de la réponse en fréquence primaire et l’amortissement des oscillations inter-zones. La structure de commande de charge hiérarchique coordonnée que nous proposons, utilise à la fois la commande locale et la commande globale, avec des contrôleurs utilisant des mesures à distance et des signaux de commande dans une structure distribué sur une grande surface, de façon éparse et optimale. La couche locale de bas niveau traite avec précision la réponse à la demande et la régulation de fréquence, tandis que la couche de supervision agencée de manière creuse avec un nombre minimal de paires (mesure-contrôle) améliore les performances et les marges de stabilité du système, tout en réduisant le coût du transfert des données, les liaisons de communication et la complexité du réseau. *Contrôle de charge basé sur l’inertie virtuelle : Compte tenu des charges agrégées intégrées au stockage, nous étendons le contrôle de charge conventionnel pour habiliter l’inertie virtuelle dans les réseaux électriques à faible inertie. Le signal de contrôle de charge basé sur l’inertie virtuelle minimise donc le taux de variation de fréquence ainsi que l’erreur de fréquence afin de rétablir plus promptement l’équilibre production-demande souhaité sur le réseau. Nous montrons par simulation que l’inertie virtuelle basée sur la charge permet une meilleure régulation de la fréquence du système avec une performance transitoire remarquablement améliorée, une un nadir (creux) de fréquence et une erreur en régime permanent en supprimant approximativement des charges égales ou même avec moins de charges contrôlables par rapport au contrôle de charges conventionnel. En outre, nous développons deux systèmes de références à l‘aide du logiciel de simulation Simscape Power Systems (SPS) couramment utilisés pour l’éducation et la recherche dans le domaine des réseaux électriques dans le monde entier. Nous présentons également un bloc de mesure de fréquence, qui a été ajouté à la bibliothèque de modèles de la dernière version commerciale de SPS (R2018a), permettant de mesurer la fréquence dans un modèle simulé en mode phaseur. / Any inequality between power system generation and load must be corrected in a short time, otherwise frequency deviation will happen and consequently the stability and security of the power system will be threatened. Demand-side endpoints are distributed on the load side of power systems in contrast to traditional control resources such as centralized bulk generators. The ability of outright ON/OFF switching devices on the demand side enables the loads to respond faster to system disturbances, compared to most conventional generators. This feature, along with the integration of sensing, computation and communication technologies, makes demand-side resources an ideal candidate in primary frequency regulation. This thesis focuses on controlling power systems using distributed load-side resources. Specifically, it proposes three main solutions to overcome the limitations of decentralized load control approaches: *Improved Optimal Load Control (IOLC): We introduce an Improved Optimal Load Control (IOLC) approach by applying a systematic gain-tuning method to the conventional OLC. A joint Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) with Fuzzy Selection Algorithm (FSA) is employed as the multi objective gain-tuning procedure in IOLC approach. We show by simulation that in comparison with OLC, IOLC can achieve a better generalization performance in the case of turbine-governor (TG) control action whether enabled or disabled. *Sparse and Resilient Hierarchical Direct Load Control: We design and develop a hierarchical sensor pruning load modulation strategy for primary frequency response improvement and inter-area oscillations damping. The proposed coordinated hierarchical load control structure utilizes both local and distributed wide-area control, where controllers make use of remote measurements and control signals in an optimal sparse wide-area structure. To be precise, device layer deals with demand-response and frequency regulation, while the sparse supervisory layer improves the system’s closed-loop performance and stability margins, with simultaneous reduction of the cost of data transfer, communication links and power network complexity. *Virtual Inertia-based Load Control: Considering the storage built-in aggregated loads, we extend the conventional load control to enable virtual inertia in low-inertia rate power systems. The virtual inertia-based load control signal therefore minimizes the rate of change of frequency as well as frequency error to provide desired power balance over the network. We show by simulation that enabling load-based virtual inertia provides better power system frequency regulation with remarkably improved transient performance, frequency nadir and steady state error by shedding approximately equal or even less amount of controllable loads compared to the conventional load control. Furthermore, we develop two commonly used Simscape Power Systems (SPS) benchmarks for power system education and research worldwide. We also present a frequency measurement block (which will be included in Matlab 2018a measurement library) to measure the frequency in a SPS model running in phasor mode.