L'intégration de production d'électricité renouvelable dans les réseaux d'électricité est rendue difficile à cause du caractère variable et aléatoire de cette production. Le travail de cette thèse se penche sur la participation des producteurs d'énergie renouvelable aux marchés d'électricité, et plus précisément sur les coûts de régulation imputés à ces producteurs pour tout écart entre la production délivrée et la production contractée sur ces marchés. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de modéliser et d'évaluer les différentes méthodes de gestion de ces pénalisations d'écarts liées à la participation de producteurs d'énergie renouvelable dans les marchés court-terme d'électricité. Ce travail propose d'abord une classification des méthodes existantes pour la diminution de ces pénalités. Les solutions dites physiques, liées au portefeuille de production, sont distinguées par rapport aux solutions dites financières, qui sont basées sur des produits de marché tels que les options. Les solutions physiques sont abordées dans le cadre des centrales virtuelles. Un modèle générique de la pénalisation des écarts d'énergie est proposé. Le problème de prise de décision relatif à ces diverses solutions est ensuite formulé en tant que problème d'optimisation sous incertitude. Cette approche est basée sur une fonction de coût qui est exprimée à partir du modèle générique de pénalités. Enfin, l'incertitude liée à la production renouvelable est considérée à travers une méthode basée sur le risque, qui est mesuré à partir d'outils financiers. Les différentes méthodes sont illustrées avec des cas d'étude basés sur des données réelles.

L'approvisionnement en énergie et le changement climatique représentent aujourd'hui deux problèmes remarquables qui doivent être surmontés par la société dans un contexte de croissance de la demande d'énergie. La reconnaissance de ces problèmes par l'opinion publique encourage la volonté politique de prendre différentes actions pour les surmonter de façon aussi rapide qu'efficace. Ces actions se basent sur l'augmentation de l'efficacité énergétique, la diminution de la dépendance sur les énergies fossiles et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, les systèmes électriques subissent des changements importants au niveau de leur planification et de leur gestion. D'une part, les structures verticalement intégrées sont en train d'être remplacées par des structures de marché d'électricité donnant naissance à plusieurs acteurs au niveau du fonctionnement des marchés et de la production, distribution et commercialisation d'électricité. D'autre part, les systèmes électriques qui se basaient sur la production d'énergie issue de grandes centrales génératrices voient arriver aujourd'hui la fin de vie de ces grandes centrales. Le rôle de la production répartie d'électricité à partir de technologies telles que l'éolien et le solaire devient de plus en plus important dans ce contexte. Cependant, l'intégration à grande échelle de ces types de ressources réparties pose plusieurs défis liés, par exemple, aux incertitudes associées à la variabilité de la production de ces ressources. Toutefois, des systèmes combinant des outils avancés de prédiction de l'éolien ou du solaire peuvent être combinés avec des éléments contrôlables tels que des moyens de stockage d'énergie, des turbines à gaz ou de la demande électrique contrôlable, peuvent être créés dans le but de réduire les impacts associés à ces incertitudes. Ce travail de thèse traite de la gestion, sous conditions de marché libéralisé d'électricité, de ce type de systèmes qui fonctionnent comme des sociétés indépendantes qui sont ici nommées cellules des systèmes électriques. À partir de la bibliographie existante, une vision unifiée des problèmes de gestion des systèmes électriques est proposée comme un premier pas vers la gestion d'ensembles de cellules des systèmes électriques dans un cadre de gestion multi-cellule. Des méthodologies pour la gestion journalière et optimale de ce type de cellules sont proposées, discutées et évaluées dans un cadre à la fois déterministe et stochastique, ce dernier intégrant dans le processus de gestion les incertitudes liées au problème. Les résultats obtenus montrent que l'utilisation des approches proposées peut conduire à des avantages importants pour les opérateurs chargés de la gestion de cellules des systèmes électriques.

Les politiques entreprises dans le domaine de la production d’électricité pour lutter contre le changement climatique reposent communément sur le remplacement des moyens de production fossiles et centralisés par de nouveaux moyens de type renouvelables. Ces énergies renouvelables sont en grande partie distribuées dans les réseaux moyenne et basse tension et sont le plus souvent intermittentes (énergies éolienne et photovoltaïque principalement). Les gestionnaires de réseaux s’attentent à ce que ce changement de paradigme induise des difficultés conséquences dans leurs opérations. Les mondes de la recherche et de l’industrie se sont ainsi structurés depuis le milieu des années 2000 afin d’apporter une réponse aux problèmes anticipés. Cette réponse passe notamment par le déploiement de technologies de l’information et de la communication (TIC) dans les réseaux électriques, des centres de contrôle jusqu’au sein même des moyens de production distribués. C’est ce que l’on appelle le Smart Grid. Parmi le champ des possibles du Smart Grid, ces travaux de thèses se sont en particulier attachés à apporter une réponse aux enjeux de stabilité en fréquence du système électrique, mise en danger par la réduction anticipée de l’inertie des systèmes électriques et la raréfaction des moyens de fourniture de réserve primaire (FCR), auxquels incombent le maintien de la fréquence en temps réel. En vue de suppléer les moyens de fourniture de réserve conventionnels et centralisés, il a ainsi été élaboré un concept de coordination de charges électriques délestables distribuées, qui se déconnectent et se reconnectent de manière autonome sur le réseau au gré des variations de fréquence mesurées sur site. Ces modulations de puissance répondent à un schéma préétabli qui dépend de la consommation électrique effective de chacune des charges. Ces travaux ont été complétés d’une étude technico-économique visant à réutiliser cette infrastructure de coordination de charges délestables pour la fourniture de services systèmes ou de produits de gros complémentaires. Ce travail de thèse réalisée au sein des équipes innovation de Schneider Electric et du laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2Elab), est en lien avec les projets Européens EvolvDSO et Dream, financés dans le cadre du programme FP7 de la Commission Européenne. / Climate change mitigation policies in the power generation industry lead commonly on the replacement of bulk generation assets by Renewable Energy Resources (RES-E). Such RES-E are largely distributed among the medium and low voltage grids and most of them are intermittent like photovoltaic and wind power. System Operators expect that such new power system paradigm induces significant complications in their operations. The communities of research and industry started thus to structure themselves in the mid-2000s in order to respond to these coming issues, notably through the deployment of Information and Communication Technology (ICT) in power systems assets, from the Network Operations Centers (NOCs) down to Distributed Energy Resources (DERs) units. This is the Smart Grid. Among the range of possibilities of the Smart Grid, this Ph.D work aims in priority to provide a solution to handle the issue of frequency stability of the power system that are endangered by the combined loss of inertia of the power system and the phasing-out of conventional assets which used to be in charge of the maintain of the frequency in real time through the supply of Frequency Containment Reserve (FCR). The concept developed lead on a process of coordinated modulation of the level of loads of DERs, whose evolve depending on the system frequency measured in real time on-site. The strategy of modulation of each DER follows a pattern which is determined at the scale of the portfolio of aggregation of the DER, depending on the effective level of load of the DER at normal frequency (i.e. 50Hz in Europe). This work is completed by a cost benefit analysis that assesses the opportunity of sharing of the previous infrastructure of coordinated modulation of DERs for the supply of ancillary services and wholesale products. This thesis conducted within Schneider Electric’s Innovation teams and Grenoble Electrical Engineering Laboratory (G2Elab) is linked with the European projects Dream and EvolvDSO, and funded under European Commission’s FP7 program.

Le souhait d’augmenter la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique entraine une augmentation des parts des énergies volatiles et non pilotables, et rend donc l’équilibre offre-demande difficile à satisfaire. Une façon d’intégrer ces énergies dans le réseau électrique actuel est d’utiliser de petits moyens de production, de consommation et de stockage répartis sur tout le territoire pour compenser les sous ou sur productions. Afin que ces procédés puissent être intégrés dans le processus d’équilibre offre-demande, ils sont regroupés au sein d’une centrale virtuelle d’agrégation de flexibilité, qui est vue alors comme une centrale virtuelle. Comme pour tout autre moyen de production du réseau, il est nécessaire de déterminer son plan de production. Nous proposons dans un premier temps dans cette thèse une architecture et un mode de gestion pour une centrale d’agrégation composée de n’importe quel type de procédés. Dans un second temps, nous présentons des algorithmes permettant de calculer le plan de production des différents types de procédés respectant toutes leurs contraintes de fonctionnement. Et enfin, nous proposons des approches pour calculer le plan de production de la centrale d’agrégation dans le but de maximiser son gain financier en respectant les contraintes réseau. / The desire to increase the share of renewable energies in the energy mix leads to an increase inshare of volatile and non-controllable energy and makes it difficult to meet the supply-demand balance. A solution to manage anyway theses energies in the current electrical grid is to deploy new energy storage and demand response systems across the country to counter balance under or over production. In order to integrate all these energies systems to the supply and demand balance process, there are gathered together within a virtual flexibility aggregation power plant which is then seen as a virtual power plant. As for any other power plant, it is necessary to compute its production plan. Firstly, we propose in this PhD thesis an architecture and management method for an aggregation power plant composed of any type of energies systems. Then, we propose algorithms to compute the production plan of any types of energy systems satisfying all theirs constraints. Finally, we propose an approach to compute the production plan of the aggregation power plant in order to maximize its financial profit while complying with all the constraints of the grid.