Les limites des ressources d’énergies fossiles et la perspective imminente du changement climatique ont mené les pays de l’Union Européenne à engager une restructuration du secteur électrique vers un approvisionnement en énergie fiable, économique et durable. Dans cette optique de transition énergétique, les systèmes de stockage d’énergie peuvent faciliter l’intégration des énergies renouvelables dans les réseaux électriques. Ils permettent de stocker l’énergie produite par les sources renouvelables pour décaler sa fourniture aux réseaux électriques et compenser les fluctuations aléatoires de la puissance. Par ce lissage de la production des sources intermittentes, les systèmes de stockage transforment ces dernières en centrales mieux contrôlables et plus prévisibles ce qui leur permet de participer aux marchés d’électricité et aux services systèmes.Afin de garantir le respect des plans de production et des engagements pris envers le gestionnaire du réseau, les centrales de production renouvelables équipées d’un système de stockage ont recours à un système de gestion d’énergie. Alors que le contrôle rapproché assure le respect de la consigne instantanée de production, la gestion d’énergie utilise des méthodes d’optimisation sous contraintes issues de la recherche opérationnelle pour planifier le fonctionnement des systèmes de stockage. Le plus souvent, un arbitrage est nécessaire entre les exigences du fonctionnement et la complexité du modèle utilisé. Les modèles de batterie, qui présentent un comportement non-linéaire, doivent être simplifiés en vue de les intégrer dans les algorithmes d’optimisation les plus courants. De plus, les modèles précis et particulièrement ceux qui sont basés sur une modélisation physico-chimique de la batterie exigent des tests de caractérisation chronophages réalisés dans des conditions contrôlées. Finalement, le comportement électrique de la batterie évolue avec son âge ce qui impose un recalage périodique du modèle en fonction du temps.Cette thèse présente une méthodologie d’identification de modèles de batterie en cours de fonctionnement et d’utilisation de ces modèles adaptatifs dans la gestion optimale d’une centrale de production électrique avec stockage. Après un rappel des modèles de batteries, des méthodes d’identification en temps réel issues de la théorie du contrôle sont développées dans le cas d’un modèle des circuits électriques équivalents. L’extraction d’un modèle simplifié pour la gestion d’énergie est décrite et juxtaposée à une analyse de régression directe des données de fonctionnement. Les méthodes d’identification sont testées pour un système de stockage réel de taille industrielle, associé à une centrale photovoltaïque installée sur l’île de La Réunion. L’identification du modèle dans le cadre d’une étude de vieillissement préalablement effectuée au sein du CEA, met en évidence le suivi de l’état de santé de la batterie.En vue de l’intégration des modèles adaptatifs dans la gestion, la formulation des problèmes d’optimisation rencontrés dans la planification d'une centrale photovoltaïque associée à un système de stockage est développée. Des implémentations en programmation linéaire-mixte et en programmation dynamique sont réalisées dans des cas d’études basés sur la participation aux marchés d’électricité ou dans le cadre d’une tarification réglementée, ainsi que la participation aux services système. Afin d’évaluer les performances de ces solutions, une architecture de contrôle pour la centrale est détaillée, et le fonctionnement de la centrale est simulé. Plusieurs configurations du système de gestion sont testées, y compris l’utilisation de modèles fixes ou variables ainsi que la prise en compte ou non du vieillissement de la batterie. Une analyse statistique des résultats obtenus pour différents cas de production photovoltaïque et d’erreurs de prévision montre que l’utilisation des modèles variables présente des avantages. / Limited fossil energy resources and the prospect of impending climate change have led the European Union to engage in a restructuring of the electricity sector towards a sustainable, economical and reliable power supply. Energy storage systems have the potential of an enabling technology for the integration of renewable energy sources, which underlies this transition. They allow the delivery of energy produced by a local source to the electric grid to be shifted in time and can compensate random fluctuations in power output. Through such smoothing and levelling, energy storage systems can make the production of variable renewable sources predictable and amenable to control.In order to observe scheduled production and their commitments toward the grid operator, renewable power plants equipped with storage systems make use of an energy management system. While direct control ensures tracking of the current production setpoint, energy management employs constrained optimization methods from operations research to organize the usage of the storage systems. The complexity of the storage system model used in optimization must frequently be adapted to the specific application. Batteries show non-linear state-dependent behavior. Their model must be simplified for use in the most common optimization algorithms. Moreover, precise battery models based on physical modelling require time-consuming controlled testing for parameterization. Lastly, the electrical behavior of a battery evolves with aging which calls for regular recalibration of the model.This thesis presents a methodology for on-line battery model identification and the use of such adaptive models in optimal management of an electrical plant with energy storage. After a summary of battery models, observer methods for on-line identification based on control theory are developed for the case of an equivalent circuit model. The extraction of a simplified model for energy management is described and compared to direct regression analysis of the operational data. The identification methods are tested for a real industrial-sized storage system operated in a photovoltaic power plant on the island of La Réunion. Model identification applied to data from an earlier battery aging study shows the use of the method for tracking the state-of-health.The formulation of optimization problems encountered in the production scheduling of a photovoltaic power plant with energy storage is developed incorporating the adaptive battery models. Mixed-integer linear programming and dynamic programming implementations are used in case studies based on market integration of the plant or regulated feed-in tariffs. A simulation model based on the outline of the plant control architecture is used to simulate the operation and evaluate the solutions. Different configurations of the management system are tested, including static and variable battery models and the integration of battery aging. A statistical analysis of the results obtained for multiple cases of photovoltaic production and forecast error shows the advantage of using variable battery models in the study case.

Les îles Galápagos sont un archipel d'îles volcaniques situées dans l'océan Pacifique, à 926 km à l'ouest de l'Equateur continental, dont elles font partie. Depuis 1978, les îles Galápagos sont déclarées patrimoine mondial. En raison de la croissance de la population, il existe plusieurs problèmes sociaux, économiques et environnementaux qui risquent la conservation de l'environnement des îles. Dans ce contexte, le gouvernement équatorien veut préserver son patrimoine écologique. Par conséquence, avec la participation de divers acteurs, principalement le ministère de l'Énergie et des Énergies renouvelables, il effectue plusieurs initiatives. Afin d'améliorer les services fournis sur les îles, cet objectif sera accompli grâce à la réduction de la consommation de carburants fossiles et donc des émissions de CO2. Donc, cette thèse a analysé l'impact des nouveaux services sur le réseau électrique, comme le remplacement obligatoire des véhicules conventionnels et des cuisinières pour des solutions efficaces et la proposition des solutions pour réduire les problèmes négatifs sur le réseau. En outre, une forte intégration de la génération distribuée a été considérée dans l'analyse. De plus, des solutions innovantes pour basse et moyenne tension ont été conçues et testées afin d’améliorer le service électrique sans affecter l'environnement et conserver ce patrimoine mondial. Par exemple, un programme DSM intelligent composé d'un schéma de temps d'utilisation (TOU) combiné avec la réponse de la demande (DR) a montré des résultats intéressants, l'installation d'un système de stockage d'énergie de batterie a également été testée, et les résultats de moyenne tension sont prometteurs. Un système de commutation automatique de phase a été adapté comme une solution pour réduire le déséquilibre en basse tension avec des résultats impressionnants. Le déploiement des réenclencheurs a démontré une amélioration considérable de la fiabilité avec un retour d’investissement très court. Considérant les technologies de l'information et de la communication, une pièce clé pour déployer Smart Grids, l'architecture de communication des réseaux de NAN/FAN/HAN a été abordée. Enfin, un Système de Gestion d’Energie pour la gestion optimale de l'énergie à Galápagos a été conçu. Toutes ces études représentent un défi important : la gestion optimale de l'électricité de réseau isolée sans énergie fossile. / The Galápagos Islands are an archipelago of volcanic islands located in the Pacific Ocean, 926 km west of continental Ecuador, of which they are a part. Since 1978, Galapagos Islands are accepted as Heritage World, due to the growth of the population, there are several social, economic and environmental problems, which endanger the environment conservation of the Islands.In this context, the Ecuadorian government desires to preserve its ecological heritage. Hence, with the participation of several stakeholders mainly the Ministry of Energy and Renewable Energy, it is releasing a lot of initiatives. In order to improve the general services that are provided in the islands, this goal will be achieved by means of reducing fossil fuel consumption and therefore CO2 emissions. Thus, this thesis has analyzed the impact of new services on the grid such as the mandatory replacement of conventional vehicles and cookers for efficient ones and to propose solutions for reducing negative issues originated on the network. Also, a strong integration of distributed generation is considered in the analysis.In addition, innovative solutions for both low and medium voltage have been designed and tested for improving the electrical service without affecting the environment and conserving this world heritage. For instance, a smart DSM program composed of Time of Use scheme combined with Demand Response has shown interesting results, the installation of a Battery Energy Storage System has been studied as well; the results in Medium Voltage are promising. An Automatic Phase Switching system is adapted like a solution for reducing unbalance in low voltage with impressive results. The deployment of reclosers has demonstrated a considerable improvement in the reliability with a Return on Investment very short.Considering the Information and Communication Technologies a key piece to deploy Smart Grids, the communication architecture of the Neighbor, Field and Home Area Networks is addressed. As last, an Energy Management System for performing optimal energy management within Galapagos is designed. All these studies have a significant challenge: the optimal management of electricity of isolated grid with zero fossil energy.

Le raccordement des systèmes PV ou des systèmes de recharge des VE au réseau peut avoir des impacts sur le fonctionnement du réseau:• Variation de tension• Déséquilibre de tension entre phases• Impact du caractère intermittent de la ressource solaire• Impact du caractère aléatoire des systèmes de recharge des VE• Injection d'harmoniques de découpage au réseau si les onduleurs ne sont pas munis de filtres efficaces• Interactions harmoniques entre onduleurs à travers le réseau• Injection de courant continu au réseau• Courants de fuite• Impact sur les pertes• Impact sur la congestion en cas de recharge des VE…C'est pourquoi, l'objectif de cette thèse est de développer les stratégies de contrôles/commandes intelligents pour les onduleurs PV et les systèmes de recharge des VE de afin de- réduire le coût total du système PV ou du système de recharge,- augmenter la performance des onduleurs PV raccordés au réseau- augmenter le taux de pénétration des systèmes PV ou de recharge des VE- assurer la continuité de service- participer au réglage de tension et de fréquence du réseau- contribuer à la stabiliser le réseau en cas nécessaire- améliorer la qualité de l'énergie- éviter les congestions…Dans le cadre du travail, la définition des services apportés par systèmes PV ou les systèmes de la recharge des VE est nécessaire. Ces services que les systèmes PV ou les systèmes de recharges qui peuvent apporter au réseau, sont élaborés dans un but prospectif : respect du plan de tension par régulation, absorption/production de puissance réactive selon le besoin, tenue aux creux de tension, amélioration de la qualité.Les études concernées :- Etude des interactions (impacts) entre les onduleurs PV et le réseau- Etude des interactions (impacts) entre les onduleurs de la recharge des VE et le réseau- Définition des services apportés par ces systèmes- Développement et modélisation d'un onduleur bidirectionnel- Développement des systèmes de contrôle/commande intelligent pour ces services:o Réglage de tension. Gestion de congestion. Amélioration de la qualité (ex : harmoniques). Capacité de tenue aux creux de tension. / The connection of PV systems or EV charging systems may impact on the operation of the electrical network:• Voltage variation• Voltage unbalance between phases• Impact of the intermittent nature of the solar resource• Impact of the random nature of EV charging systems• Harmonic injection in the network• DC injection network• Leakage currents• Impact on loss• Impact on congestion in case of EV charging ...Therefore, the objective of this thesis is to develop strategies to control / intelligent controls for PV inverters and charging systems for EVs to- Reduce the total cost of the PV system or charging system,- Increase the performance of PV inverters connected to the network- Increase the penetration of PV or EV charging- Ensure continuity of service- Participate in the regulation of grid voltage and grid frequency- Contribute to stabilize the grid- Improving the quality of energy- Avoid congestions...As part of the work, the definition of services provided by PV systems or EV charging systems is required. These services PV systems or systems that can provide to the network, are developed in a prospective: regulation of the voltage plan, absorption / reactive power as needed, withstand voltage dips, improving quality. Studies concerned:- Study of interactions (impacts) between PV inverters and network- Study of interactions (impacts) between the inverters and EV charging network- Definition of the services provided by these systems- Development and modeling of a bidirectional inverter- Development of control systems / intelligent control for these services: Voltatge controlo Management of congestiono Improved quality (eg harmonics). Ability to ride-through voltage dips.

L’énergie nucléaire, qui est une technologie de génération largement utilisée dans des systèmes électriques, est caractérisée par des coûts fixes élevés et des coûts variables bas. Pour amortir ses coûts fixes, le nucléaire est préférentiellement utilisé pour une opération en base inflexible, c’est-à-dire opérer à un niveau constant pour répondre à la partie non variable de la demande d’un système électrique et produire au maximum de sa propre capacité. En raison de cette spécificité, l’insertion de la production nucléaire dans les marchés concurrentiels d’électricité n’a pas été profondément étudiée jusqu’à présent. Par conséquent, même dans des marchés concurrentiels, la question de la gestion optimale d’un parc de production nucléaire n’a pas été soulevée parce que la production nucléaire est censée fonctionner en continu (pour couvrir la demande de base). Cependant, il y a des cas ou` la gestion de la production nucléaire semble plus complexe que ne le suggère cette vision simplifiée. En règle générale, lorsque la proportion de l’énergie nucléaire dans un parc de production est élevée, la production nucléaire doit s’adapter aux variations de la demande. Cela soulève la question de la façon optimale de gérer cette technologie de production dans ce contexte. Comme cette question n’a pas été étudiée jusqu’à présent, il est nécessaire de proposer un cadre théorique qui permet une analyse des situations comme celle de la France, avec un marché concurrentiel et où le nucléaire représente 80% de la production, c’est-à-dire beaucoup plus que ce qui serait nécessaire pour couvrir la demande de base. Nous nous plaçons dans un horizon à moyen terme de la gestion (1 à 3 ans) pour tenir compte de la variation saisonnière de la demande. A moyen terme, le gestionnaire d’un parc nucléaire très large (comme le parc français) doit ajuster sa production selon les variations saisonnières de la demande. Dans ce cadre, le stock de combustible nucléaire peut être analysé comme un réservoir puisque les centrales nucléaires s’arrêtent périodiquement (tous les 12 ou 18 mois) pour recharger leur combustible. La gestion de ce réservoir permet de profils différents d’usages de combustible nucléaire au cours des différentes saisons de l’année. Ainsi, nous nous pencherons sur cette question comme une analyse économique rationnelle de l’opération d’un “réservoir” de combustible nucléaire. Nous allons ensuite l’analyser dans un cadre général déterministe dynamique avec deux types de production : nucléaire et thermique non-nucléaire. Nous étudions la gestion optimale de la production dans un marché parfaitement concurrentiel. Ensuite, nous établissons un modèle numérique (basé sur les données du marché français) où les centrales nucléaires ne sont pas opérées à production constante, mais dans un cadre de placement flexible (comme le parc nucléaire français). […] / Nuclear power as a generation technology that is widely used in electricity production systems is characterized by high fixed costs and low variable costs. To amortize its fixed costs, nuclear is preferentially used for inflexible baseload operation, i.e. operate at a constant level to meet the non variable part of electricity demand of a system and produce at its maximum capacity. Because of this specificity, the insertion of nuclear production in competitive electricity markets has not been deeply studied so far. Therefore, even in competitive markets, the question of the optimal management of a nuclear generation set has not been raised because nuclear production is supposed to operate continuously (to cover baseline demand). However, there are cases where the management of nuclear generation seems more complex than suggested by this simplified view. Typically, when the proportion of nuclear energy in a production set is high, the nuclear generation output has to adjust to the variations in demand. This raises the question of the optimal way to manage this production technology in that kind of setting. As this question has not been studied so far, there is a need for a theoretical framework that enables an analysis of situations like the French one, with a competitive market and where nuclear represents 80% of generation, i.e. much more that what would be necessary to cover the baseload demand. We place ourselves in a medium-term horizon of the management (1 to 3 years) to take into account the seasonal variation of the demand level. In the medium-term, the manager of a large nuclear set (like the French set) has to set its seasonal variation of output according to the demand level. Since nuclear units have to stop periodically (from 12 to 18 months) to reload their fuel, we can analyze the nuclear fuel as a stock behaving like a reservoir. The operation of the reservoir allows different profiles of nuclear fuel use during the different demand seasons of the year. Thus, we will look at this question as a rational economic analysis of the operation of a nuclear fuel “reservoir”. We then analyze it within a general deterministic dynamic framework with two types of generation: nuclear and thermal non-nuclear. We study the optimal management of the production in a perfectly competitive market. Then, we establish a numerical model (based on data from the French market) with nuclear plants being not operated strictly as base load power plants but within a flexible dispatch frame (like the French nuclear set). [...]

Cette thèse s'intéresse à la modélisation et à la commande optimale de réseaux de distribution d'eau chaude avec pertes de chaleur.<br/><br/>Développement de logiciels d'aide à la compréhension du comportement dynamique du réseau, à sa gestion optimale face à des variations de données extérieures (consommations, tarifs énergétiques,...). Modélisation et optimisation du fonctionnement hydraulique et thermique du réseau, par rapport à la somme du coût de production de l'eau chaude, et du coût de fonctionnement des pompes. Exemples de simulation et d'optimisation réalisées sur des petits réseaux

Ce travail de thèse propose une méthodologie systématique d’évaluation et de comparaison des gains en émissions de CO2 de véhicules hybrides électriques de différentes architectures et intégrant différentes fonctionnalités. Une méthodologie de dimensionnement a été mise en place, elle se base sur la définition d’un cahier des charges en performances dynamiques des véhicules, la mise en place d’algorithmes de mise à l’échelle afin de générer les données des composants de la chaîne de traction (batterie, machine électrique, moteur thermique), et l’utilisation de procédures de dimensionnement du véhicule sous contrainte de minimisation des émissions de CO2. L’évaluation énergétique des différentes configurations de véhicule ainsi dimensionnées s’articule autour de la définition de différents usages du véhicule et sur l’implémentation d’une loi de gestion optimale de l’énergie de type Principe du Minimum de Pontriaguine. Ces méthodologies ont été appliquées à une architecture conventionnelle, servant de référence pour les performances dynamiques et les consommations énergétiques, et d’une architecture hybride parallèle pré-transmission, pour laquelle une configuration hybride rechargeable et une configuration hybride non rechargeable ont été implémentées. / This thesis work proposes a systematic methodology dedicated to the evaluation and comparison of CO2 emissions’ reduction for hybrid electric vehicles with different architectures and different levels of functionality. A sizing methodology has been developed, which is based on the definition of the requirements for the dynamic performances of vehicles, on the development of scaling algorithms in order to generate the dataset for the powertrain components (battery, electric motor, engine), and on the application of procedures for the sizing of a vehicle under CO2 emissions’ minimization constraint. The energy consumption evaluation of the different vehicle configurations, which were previously sized, is founded on the definition of a variety of vehicle’s type of use, as well as on the implementation of an optimal energy management strategy, the Pontryaguin’s Minimum Principle. These methodologies have been applied to a conventional vehicle architecture, which has been used as a reference for dynamic performances and energy consumption, and to a hybrid parallel pre-transmission architecture, which has been defined in two configurations, a plug-in hybrid and a non plug-in full-hybrid.

L'accroissement des performances des systèmes de génie climatique de ces dernières années s'est accompagné d'une complexité accrue de ceux-ci. La compréhension de leur fonctionnement ainsi que !a détection et le diagnostic de leurs défauts deviennent de plus en plus difficiles pour les équipes de maintenance. Ces dernières souhaitent donc disposer d'outil performant d'aide à la détection des défauts ou dérives de fonctionnement et, éventuellement, d'aide au diagnostic des causes de ceux-ci. Cette thèse s'intéresse au développement d'un tel outil adapté aux systèmes de chauffage collectif à eau chaude. Les défauts pour lesquels il paraissait le plus utile de développer un outil de détection et de diagnostic ont d'abord été recensés. La modélisation-simulation du fonctionnement des cinq systèmes de chauffage avec et sans défauts a permis ensuite d'obtenir une base de données destinée au développement d'un outil de détection et de diagnostic. Un prototype de détection et de diagnostic basé sur la reconnaissance des formes a été développé en utilisant, comme outil de classification, un modèle connexionniste (réseaux de neurones multi-couches). Ce prototype a été testé sur les cinq systèmes simulés. Le résultat est satisfaisant avec un taux de réussite supérieur à 90% et un risque de fausse alarme inférieur à 2% pour l'ensemble des défauts des cinq systèmes simulés. Ceci bien que seules les données provenant d'un des systèmes aient été utilisées pour la phase d'apprentissage du prototype. Cette étude permet de penser que la généralisation du prototype vers des systèmes réels devrait donner des résultats intéressants. A l'issue de ce travail les principales perspectives consistent à : - valider l'outil de détection et de diagnostic ainsi développé sur des systèmes réels, - implanter celui-ci dans des systèmes de gestion technique des bâtiments en collaborant avec des industriels, - appliquer l'approche développée dans cette thèse à d'autres systèmes de génie climatique.

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