L'objectif de ces travaux de thèse était de concevoir et de développer un outil de simulation et d'optimisation multicritères de centrales couplant des sources d'énergies renouvelables (EnR) et des moyens de stockage. L'optimisation porte sur le dimensionnement de l'installation (taille des unités de production EnR et de stockage) et sur la ou les stratégies de gestion de la centrale EnR-stockage selon des critères technico-économiques évalués par l'outil. L'originalité de l'outil développé réside dans la modularité de définition de l'architecture EnR-stockage, dans la prise en compte de plusieurs niveaux de modélisation (échelle et précision) des différents composants du système et dans l'intégration du vieillissement. L'outil développé est également illustré sur des cas d'études afin d'apprécier sa pertinence. / The objective of this work was to design and develop a simulation and multi-criteria optimization tool of energy systems composed of renewable energy (RE) production and storage units. Optimization concerns the systems sizing (renewable production and storage units) and the systems control strategies based on techno-economic criteria. Originality of the tool resides in the modularity of definition of the RE-storage plant architecture, in taking into account several levels of modeling (scale and accuracy) of the different system components and in the consideration of ageing through performances degradation. The developed tool is also illustrated on application cases to highlight its usefulness.

Avec la mutation du paysage énergétique due au développement des énergies renouvelables, des véhicules électriques ou encore des systèmes de stockage, le réseau électrique actuel a besoin de se moderniser. Le concept de microgrid est une solution prometteuse basée sur les technologies de l'information et de la communication pour améliorer la gestion et l'efficacité de la production, du transport, de la distribution et de la consommation de l'électricité. Cependant, les défis technico-économiques associés à leur déploiement sont encore élevés. Ces travaux de thèse ont pour but d’apporter des contributions sur plusieurs points clés : prévision de la production et de la consommation, modélisation des équipements, et optimisation de la gestion du microgrid.Rivesaltes-grid est un démonstrateur de microgrid à l'échelle d'un bâtiment industriel composé d'un champ photovoltaïque de 60 kWc, de batteries lithium-ion de 85 kWh et d'un véhicule électrique. Il a permis de développer un système de gestion de l'énergie (EMS) innovant pour optimiser l'efficacité énergétique du microgrid. Cet EMS, basé sur une gestion par commande prédictive et la résolution d'un problème d'optimisation avec contraintes, permet de réduire de 6,2% le coût de fonctionnement. Cette gestion du microgrid nécessite comme entrées : (1) la prévision de production basée sur un algorithme de forêt aléatoire et une modélisation du champ PV par modèle 1-diode, (2) la prévision de la consommation à partir de l'algorithme de partitionnement k-means++ et (3) la modélisation dynamique du système de stockage avec ses contraintes. / With the transformation of the energy landscape due to the development of renewable energies, electric vehicles and storage systems, the current grid needs to be modernized. Microgrid concept is a promising solution based on information and communication technologies to improve the management and efficiency of electricity generation, transmission, distribution and consumption. However, the technical and economic challenges associated with their deployment are numerous. The thesis aims to provide contributions on several key points: production and consumption forecasting, equipment modeling, and microgrid management optimization.Rivesaltes-grid is a microgrid demonstrator on the scale of an industrial building consisting of 60 kWp photovoltaic array, 85 kWh lithium-ion batteries and an electric vehicle. It has enabled the development of an innovative energy management system (EMS) to optimize the microgrids energy efficiency. This EMS, based on predictive control management and the resolution of a constrained optimization problem, reduces operation cost by 6.2%. This microgrid management requires as input: (1) the production prediction based on a random forest algorithm and a modeling of the PV field by 1-diode model, (2) the consumption prediction from partitioning algorithm k-means++ and (3) dynamic modeling of the storage system with its constraints.

Ce travail propose un modèle thermique dynamique des appareils électriques dans les bâtiments basse consommation. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence des gains thermiques de ces appareils sur le bâtiment. Cette étude insiste sur la nécessité d'établir un modèle thermique dynamique des appareils électriques pour une meilleure gestion de l'énergie du bâtiment et le confort thermique de ses habitants.Comme il existe des interactions thermiques entre le bâtiment et les appareils électriques, sources de chaleur internes au bâtiment, il est nécessaire de modéliser le bâtiment. Le bâtiment basse consommation est modélisé dans un premier temps par un modèle simple reposantl'étude d'une pièce quasi-adiabatique. Ensuite, dans le but d'établir le modèle des appareils électriques, ceux-ci sont classés en quatre catégories selon leurs propriétés thermiques et électriques. A partir de cette classification et du premier principe de la thermodynamique, un modèle physique générique est établi. Le protocole expérimental et la procédure d'identification des paramètres thermiques des appareils sont ensuite présentés. Afin d'analyser la pertinence du modèle générique appliqué à des cas pratiques, plusieurs appareils électriques utilisés fréquemment dans les résidences – un écran, un ordinateur, un réfrigérateur, un radiateur électrique à convection et un micro-onde – sont choisis pour étudier et valider ce modèle ainsi que les protocoles d'expérimentation et d'identification. Enfin, le modèle proposé est intégré dans le modèle d'un bâtiment résidentiel développé et validé par le CSTB. Ce modèle couplé des appareils et du bâtiment est implémenté dans SIMBAD, un outil de simulation du bâtiment. A travers cette simulation, le comportement thermique du bâtiment et la quantité d'énergie nécessaire à son chauffage sur une période hivernale, ainsi que l'inconfort thermique dû aux appareils électriques durant l'été, sont observés.Ce travail fournit des résultats quantitatifs de l'effet thermique de différents appareils électriques caractérisés dans un bâtiment basse consommation et permet d'observer leur dynamique thermique et leurs interactions. Finalement, cette étude apporte une contribution aux études de gestion de l'énergie des bâtiments à basse consommation énergétique et du confort thermique des habitants. / This work proposes a dynamic thermal model of electrical appliances within low energy buildings. It aims to evaluate the influence of thermal gains of these appliances on the buildings and persuades the necessity of dynamic thermal modeling of electrical appliances for the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants.Since electrical appliances are one of the free internal heat sources of a building, the building which thermally interact with the appliances has to be modeled. Accordingly, a test room which represents a small scale laboratory set-up of a low energy building is first modeled based on the first thermodynamics principle and the thermal-electrical analogy. Then, in order to establish the thermal modeling of electrical appliances, the appliances are classified into four categories from thermal and electrical points of view. After that, a generic physically driven thermal model of the appliances is derived. It is established based also on the first thermodynamics principle. Along with this modeling, the used experimental protocol and the used identification procedure are presented to estimate the thermal parameters of the appliances. In order to analyze the relevance of the proposed generic model applied to practical cases, several electrical appliances which are widely used in residential buildings, namely a monitor, a computer, a refrigerator, a portable electric convection heater, and microwave are chosen to study and validate the proposed generic model and the measurement and identification protocols. Finally, the proposed dynamic thermal model of electrical appliances is integrated into a residential building model which was developed and validated by the French Technical Research Center for Building (CSTB) on a real building. This coupled model of the appliances and the building is implemented in a building energy simulation tool SIMBAD, which is a specific toolbox of Matlab/Simulink®. Through the simulation, thermal behavior and heating energy use of the building are observed during a winter period. In addition, thermal discomfort owing to usages of electrical appliances during a summer period is also studied and quantified.This work therefore provides the quantitative results of thermal effect of differently characterized electrical appliances within a low energy building and leads to observe their thermal dynamics and interactions. Consequently, it permits the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants in accordance with the usages of electrical appliances.

Dans une démarche globale d'asservissement du bilan énergétique et climatique de son pack d'engins ferroviaires, et pour acquérir le savoir-faire en matière de spécification de futures locomotives électriques multi-tensions dépendant d'un kit autonome hybride, ALSTOM Transport s'intéresse de près à la problématique de l'hybridation ferroviaire pour des locomotives électriques multi-tensions en leurs intégrant une source d'énergie hybride embarquée. C'est dans cet élan que s'inscrit le projet d' "Etude et développement d'un concept de locomotive hybride à chaîne de traction électrique autonome propre et durable ". Ce projet a été réalisé dans le cadre d'une thèse CIFRE lancé par l'Association Nationale de la Recherche Technique (ANRT) et mené par la société ALSTOM Transport et le laboratoire SET-UTBM. Il a pour but d'étudier et de développer un kit autonome hybride respectant l'environnement, à intégrer dans une locomotive électrique multi-tensions à chaîne de traction électrique, en prenant en compte l'encombrement disponible ; ceci est prévu pour des applications dans les domaines de locomotives tirant jusqu'à 1800 Tonnes et circulant en Europe, remplaçant ainsi les locomotives de manoeuvre dans certains bouts de lignes non-électrifiées afin d'éviter le trafic ferroviaire, et les temps d'attente en réduisant ainsi les coûts d'exploitation, et en minimisant fortement la consommation du carburant, et les émissions du CO2. Ce qui ramène la nouveauté dans le projet est de pouvoir intégrer un groupe hybride autonome dans une locomotive électrique multi-tension sans effectuer des modifications dans son architecture. Les travaux réalisés ont consisté dans un premier temps à définir les différentes missions ferroviaires auprès des opérateurs privés sur des bout de lignes non-électrifiées répondant à notre problématique, et permettant ainsi de réaliser un dimensionnement énergétique du kit hybride autonome, respectant le cahier des charges de l'étude lié essentiellement à l'encombrement disponible. Ensuite, nous avons identifié les deux sources de tension et de courant de la source d'énergie hybride embarquée après avoir évalué plusieurs technologies potentielles. Dans un deuxième temps, et après avoir défini l'architecture technique de la chaîne de traction de la locomotive électrique multi-tension à option du kit hybride, nous avons présenté la démarche de dimensionnement et de modélisation des ces deux sources d'énergie et de puissance. La structure étant définie, nous avons abordé enfin la dernière phase d'étude qui est le développement du contrôle-commande, et la mise en oeuvre de la gestion d'énergie entre les deux sources présentes à bord du véhicule, en tenant compte des limitations énergétiques du système de stockage et du dimensionnement du système. Le but de ces stratégies d'énergie est de maximiser par exemple le rendement global de la chaîne de traction. Les dimensions et choix en termes de stratégie de gestion issus de cette thèse seront directement exploités dans le projet au moment de sa construction.

Le bâtiment est un noeud énergétique important et un support idéal pour développer etanalyser les effets d'un système de gestion optimisée d'énergie (SGEB) tant son impactpotentiel sur la demande énergétique globale est important. Cependant, pour que ces objectifssoient atteints, plusieurs verrous doivent être levés. Au-delà des problématiques liées àl'architecture de distribution, aux modèles (y compris ceux relatifs au comportement desusagers), aux outils de dimensionnement, à la formalisation des paramètres, contraintes etcritères, aux systèmes de production et aux modes de connexions au réseau de distribution, lesproblèmes liés à la mise en oeuvre d'un outil de gestion décentralisée et à sa validation sontcentraux centrale. Ces travaux s'inscrivent directement dans cette optique. Ils portent enparticulier sur l'élaboration de modèles énergétiques, de stratégies de gestion d'énergie dansune configuration multi-sources et multi-charges et surtout de mise en oeuvre de méthodes etd'outils de validation au travers de bancs tests variés où certains composants peuvent êtreréels.Ce travail analyse le gestionnaire énergétique " G-homeTech " comprenant plusieursfonctionnalités de gestion testées sur des bancs d'essai virtuels et hybrides qui permettent decombiner à la fois des composants matériels et logiciels dans les simulations. Cela a permisd'insérer des actionneurs communicants pour tester leur pertinence. Les validations menéesmontrent que le gestionnaire énergétique permet l'effacement de pointes de consommation etdes économies sur la facture énergétique globale tout en respectant les contraintes techniqueset réglementaires.Les évènements prédits ne sont pas toujours ceux qui se produisent. Nous avons alorssimulé de telles situations. La radiation solaire et la consommation totale des services noncontrôlables sont différentes de celles prédites. Cette différence a conduit à des dépassementsde puissance électrique souscrite qui a activé le mécanisme de gestion réactive du gestionnaireénergétique. Des ordres de délestage sont alors dynamiquement envoyés à certainséquipements. Ces ordres alimentent directement les modèles des équipements électriques.Selon les importances relatives données au coût et au confort, nous avons montré que legestionnaire énergétique permet de faire des économies substantielles en évitant lesconsommations durant les pics de prix et évitant les dépassements de souscription pareffacement, par modulation du fonctionnement des systèmes de chauffage et par décalage defonctionnement des services temporaires dans les périodes plus intéressante énergétiquement.

Le bâtiment est un noeud énergétique important et un support idéal pour développer etanalyser les effets d’un système de gestion optimisée d’énergie (SGEB) tant son impactpotentiel sur la demande énergétique globale est important. Cependant, pour que ces objectifssoient atteints, plusieurs verrous doivent être levés. Au-delà des problématiques liées àl’architecture de distribution, aux modèles (y compris ceux relatifs au comportement desusagers), aux outils de dimensionnement, à la formalisation des paramètres, contraintes etcritères, aux systèmes de production et aux modes de connexions au réseau de distribution, lesproblèmes liés à la mise en oeuvre d’un outil de gestion décentralisée et à sa validation sontcentraux centrale. Ces travaux s’inscrivent directement dans cette optique. Ils portent enparticulier sur l’élaboration de modèles énergétiques, de stratégies de gestion d’énergie dansune configuration multi-sources et multi-charges et surtout de mise en oeuvre de méthodes etd’outils de validation au travers de bancs tests variés où certains composants peuvent êtreréels.Ce travail analyse le gestionnaire énergétique « G-homeTech » comprenant plusieursfonctionnalités de gestion testées sur des bancs d’essai virtuels et hybrides qui permettent decombiner à la fois des composants matériels et logiciels dans les simulations. Cela a permisd'insérer des actionneurs communicants pour tester leur pertinence. Les validations menéesmontrent que le gestionnaire énergétique permet l'effacement de pointes de consommation etdes économies sur la facture énergétique globale tout en respectant les contraintes techniqueset réglementaires.Les évènements prédits ne sont pas toujours ceux qui se produisent. Nous avons alorssimulé de telles situations. La radiation solaire et la consommation totale des services noncontrôlables sont différentes de celles prédites. Cette différence a conduit à des dépassementsde puissance électrique souscrite qui a activé le mécanisme de gestion réactive du gestionnaireénergétique. Des ordres de délestage sont alors dynamiquement envoyés à certainséquipements. Ces ordres alimentent directement les modèles des équipements électriques.Selon les importances relatives données au coût et au confort, nous avons montré que legestionnaire énergétique permet de faire des économies substantielles en évitant lesconsommations durant les pics de prix et évitant les dépassements de souscription pareffacement, par modulation du fonctionnement des systèmes de chauffage et par décalage defonctionnement des services temporaires dans les périodes plus intéressante énergétiquement. / The building is an important energy node and an ideal support to develop and analyzethe effects of an Energy Management System (EMS). Because of its potential impact, such amanagement of global energy demand is important. However, to achieve these goals, severallocks must be removed. Beyond issues related to the distribution architecture, to models(including those relating to user behavior), sizing tools, the formalization of parameters,constraints and criteria, production systems and methods of connection to the grid, problemrelated to implementation of decentralized management tool and its validation are central. Mywork is part of this context. It focuses in particular on the development of energy models,strategies for energy management in a multi-source and multi-load configuration, andespecially, the implementation methods and the validation tools through various test bencheswhere some components are real.This paper analyzes the energy manager “G-homeTech” including several managementfeatures tested on virtual and hybrid test benches that combine both hardware and softwarecomponents in the simulations. This has put communicating actuators to test their relevance.The validations show that the energy manager allows the deletion of peak demand andsavings on the overall energy bill while respecting the technical and regulatory constraints.Predicted events are not always those that occur. We then simulated such situations.Solar radiation and the total consumption of uncontrollable services are different from thosepredicted. This difference has led to over-subscribed electric power which has enabled themanagement mechanism of reactive energy manager. Load shedding orders are thendynamically sent to certain equipement. These orders directly supply models of electricalequipment.According to the relative importance given to cost and comfort, we have shown that theenergy manager can make substantial savings avoiding consumption during price peaks andavoiding over-subscription by erasure, by modulation of heating system operation and byshefting the timed service operation in the most interesting periods in energy.

Ce mémoire présente une étude comparative de quatre stratégies de gestion énergétique temps réel, appliquées d'une part à un véhicule hybride thermique-électrique, et d'autre part à un véhicule électrique à pile à combustible : contrôle basé sur des règles empirique (RBS), minimisation de la consommation équivalente (A-ECMS), loi de commande optimale (OCL) établie à partir d'une modélisation analytique du système et programmation dynamique stochastique (SDP) associée à une modélisation des cycles de conduite par chaîne de Markov. Le principe du minimum de Pontryaguin et la programmation dynamique, applicables hors ligne, sont mis en œuvre pour fournir des résultats de référence. Les problèmes d’implémentation numérique et de paramétrage des stratégies sont discutés. Une analyse statistique effectuée sur la base de cycles aléatoires générés par chaînes de Markov permet d’évaluer la robustesse des stratégies étudiées. Les résultats obtenus en simulation, puis sur un dispositif expérimental montrent que les méthodes les plus simples (RBS ou OCL) conduisent à des consommations élevées. SDP aboutit aux meilleures performances avec en moyenne la plus faible consommation de carburant dans les conditions réelles de conduite et un état énergétique final du système de stockage parfaitement maîtrisé. Les résultats d’A-ECMS sont comparables à ceux de SDP en moyenne, mais avec une plus grande dispersion, en particulier pour l'état de charge final. Afin d'améliorer les performances des méthode, des jeux de paramètres dédiés aux différents contextes de conduite sont considérés. / This thesis presents a comparative study between four recent real-time energy management strategies (EMS) applied to a hybrid electric vehicle and to a fuel cell vehicle applications: rule-based strategy (RBS), adaptive equivalent consumption minimization strategy (A-ECMS), optimal control law (OCL) and stochastic dynamic programming (SDP) associated to driving cycle modeling by Markov chains. Pontryagin’s minimum principle and dynamic programming are applied to off-line optimization to provide reference results. Implementation and parameters setting issues are discussed for each strategy and a genetic algorithm is employed for A-ECMS calibration.The EMS robustness is evaluated using different types of driving cycles and a statistical analysis is conducted using random cycles generated by Markov process. Simulation and experimental results lead to the following conclusions. The easiest methods to implement (RBS and OCL) give rather high fuel consumption. SDP has the best overall performance in real-world driving conditions. It achieves the minimum average fuel consumption while perfectly respecting the state-sustaining constraint. A-ECMS results are comparable to SDP’s when using parameters well-adjusted to the upcoming driving cycle, but lacks robustness. Using parameter sets adjusted to the type of driving conditions (urban, road and highway) did help to improve A-ECMS performances.