O requisito de continuidade de fornecimento de energia elétrica tem sido crescente na medida em que a sociedade de modo geral e os processos industriais em particular apresentam forte dependência desse insumo que assegura a todos satisfação e conforto. O consumidor é um agente econômico e ele faz parte do sistema elétrico (carga). No âmbito da análise de sistemas de potência são abordados temas, desde modelos de representação da rede e da carga até conceitos de custo da continuidade e técnicas de otimização da aplicação de investimentos para priorizar aqueles que trazem maior benefício tanto para o consumidor como para o controlador da concessão. No entanto, as técnicas usuais e convencionais de Planejamento podem conduzir a soluções pouco econômicas, porquanto consideram apenas a otimização dos investimentos em obras, ou seja, reforços da rede para atender a condição normal e em emergência (critério n-1), respeitando, naturalmente, critérios técnicos (limites de tensão, sobrecargas etc). Não raro estas instalações recomendadas pela técnica convencional serem utilizadas apenas em algumas contingências, algumas com baixa probabilidade de ocorrência. Esta pesquisa desenvolve como alternativa às soluções convencionais, um modelo que considera a otimização dos investimentos, lançando mão de recursos operativos como: corte de carga, despacho ou modificações topológicas por meio de chaveamentos, quando operando em contingência. O modelo proposto prevê que a representação da geração inclua funções que relacionam a intensidade de despacho com seus custos, bem como funções que associam custo à intensidade e duração do corte de carga a cada barra do sistema. O modelo também permite a reconfiguração da rede quando operando em contingências, por meio de alterações do estado das chaves, mudando a topologia. As funções de custo do corte de carga também são modeladas neste trabalho, considerando métodos analíticos e agregados para o cálculo do prejuízo sócio-econômico resultante da interrupção. A busca da solução ótima, que pode envolver corte de carga, despachos de geração e reconfiguração da rede, substituindo reforços realizados por obra, é obtida por um algoritmo genético evolutivo. Os procedimentos do modelo proposto representam um avanço do processo de planejamento convencional, porquanto introduz a componente continuidade de serviço de forma quantitativa, caracterizando o atendimento dos requisitos de sensibilidade das cargas de cada barra do sistema, lançando mão de recursos operativos, através de possíveis despachos e alterações topológicas. Um estudo de caso ilustra a aplicação do modelo proposto. / The need for reliable electrical energy supply continuity, the industrial demand and its dependence has been growing worldwide. Besides, it also concerns society and assures satisfaction and comfort of consumers. The consumer is the economic agent since he takes part in the system. On analyzing an electrical system, models are needed to represent the network and the load and optimization frameworks in order to make better investments and prioritize those which can benefit the consumer and the concession holder. The usual Planning Models commonly provide us with uneconomical solutions since the optimization is carried out through active investments or network reinforcements to attend the normal and the emergency condition (n-1 criteria), based on technical criteria, like voltage and overload . Frequently, these techniques recommended by the conventional analysis can be applied only in some contingencies, some of them with a small probability of occurrence.. This research develops an alternative to the conventional solutions, considering the investment optimization and using operative resources, such as: load shedding, generation rescheduling or network change operation (circuit breaker, e.g.) when operating in contingency. In this model, the generation is represented by a function that relates the intensity rescheduling and its costs and functions that relates load shedding cost, the intensity and duration of curtailment on each system bus. The model sets a network contingency reconfiguration, changing the circuit break situation (open or closed) and altering the topology. The calculation of cost of load discontinuity or social cost functions (damage cost) is shown in this thesis, considering analytical and aggregating methods. The search for an optimized solution can involve load shedding, generation rescheduling and topology changes as substitutes for network reinforcements, and may be obtained by genetic- evolutive algorithm. The procedures of the proposed model represent an advancement over the conventional Planning Process as it introduces, quantitatively, the consumer service continuity, meeting the sensibility criteria of the load characterization of each consumer class connected to the system bus, through operative resources, rescheduling, load shedding and topology changes. A case study illustrates the application of the proposed model.

In the context of static Voltage Stability Assessment (VSA), as the power system load grows, bus voltages tend to drop. This reduction may lead to generator or load disconnections caused by undervoltage protection schemes. These events comprise sudden parametric variations that affect the equilibrium diagram and the Voltage Stability Margin (VSM) of power systems. Practical examples of such sudden load changes are caused by the mandatory disconnection of Distributed Generation (DG) units and Undervoltage Load Shedding (ULS). There are no thorough studies in the literature concerning these load parametric variations and the discontinuities that they cause in power system equilibria. This dissertation describes a predictor/corrector scheme specifically designed to handle these discontinuities, so it is possible to evaluate their effect on the VSM of power systems. This method successively calculates the load discontinuities that exist in the equilibrium locus of the system under analysis. It results in the sequence of sudden load variations that happens and their overall impact on the system. When applied to quantify the effect of DG mandatory disconnections and ULS, the proposed predictor/corrector scheme yielded better results than the traditional Continuation Power Flow (CPFLOW), which experienced convergence problems caused by the discontinuities under analysis. However, due to its design, the applicability of the proposed method should be restricted to power systems that go through several successive sudden load changes. In this sense, it should not be regarded as a replacement for the CPFLOW, but rather as a technique that could award this traditional VSA tool with new features to enhance its performance. / No contexto de análise estática de estabilidade de tensão, conforme a carga de um sistema de potência cresce, as tensões nas suas barras tendem a cair. Essa redução pode causar a desconexão de geradores e cargas devido a atuação de proteções de subtensão. Esses eventos representam variações abruptas de demanda que alteram o diagrama de equilíbrio de um sistema e sua Margem de Estabilidade de Tensão (MET). Exemplos práticos dessas variações são causados pelo desligamento mandatório de unidades de Geração Distribuída (GD) e pelo Corte de Carga por Subtensão (CCS). Não há estudos detalhados na literatura que trabalham especificamente com essas variações nos parâmetros da carga, nem com as descontinuidades que elas causam no diagrama de equilíbrio de sistemas de potência. Essa dissertação descreve um procedimento especificamente projetado para lidar com essas descontinuidades, de modo que seja possível avaliar seu efeito na MET de sistemas elétricos. Esse método calcula sucessivamente as descontinuidades de carga que existem no diagrama de equilíbrio do sistema em análise. Ele resulta na sequência de variações súbitas de carga que ocorre e no seu impacto no sistema. Quando o método foi aplicado para quantificar o efeito do desligamento mandatório de GD e do CCS, ele apresentou resultados melhores do que o tradicional Fluxo de Carga Continuado (CPFLOW), o qual sofreu problemas de convergência causados pelas descontinuidades em questão. Entretanto, devido ao seu projeto, o método proposto só deve ser utilizado para sistemas de potência que estão sujeitos a várias sucessivas variações abruptas de carga. Por essa razão, esse método não pode ser considerado um substituto do CPFLOW, mas sim como uma técnica capaz de agregar novas funcionalidades a essa ferramenta tradicional, amentando assim seu horizonte de aplicações.

O requisito de continuidade de fornecimento de energia elétrica tem sido crescente na medida em que a sociedade de modo geral e os processos industriais em particular apresentam forte dependência desse insumo que assegura a todos satisfação e conforto. O consumidor é um agente econômico e ele faz parte do sistema elétrico (carga). No âmbito da análise de sistemas de potência são abordados temas, desde modelos de representação da rede e da carga até conceitos de custo da continuidade e técnicas de otimização da aplicação de investimentos para priorizar aqueles que trazem maior benefício tanto para o consumidor como para o controlador da concessão. No entanto, as técnicas usuais e convencionais de Planejamento podem conduzir a soluções pouco econômicas, porquanto consideram apenas a otimização dos investimentos em obras, ou seja, reforços da rede para atender a condição normal e em emergência (critério n-1), respeitando, naturalmente, critérios técnicos (limites de tensão, sobrecargas etc). Não raro estas instalações recomendadas pela técnica convencional serem utilizadas apenas em algumas contingências, algumas com baixa probabilidade de ocorrência. Esta pesquisa desenvolve como alternativa às soluções convencionais, um modelo que considera a otimização dos investimentos, lançando mão de recursos operativos como: corte de carga, despacho ou modificações topológicas por meio de chaveamentos, quando operando em contingência. O modelo proposto prevê que a representação da geração inclua funções que relacionam a intensidade de despacho com seus custos, bem como funções que associam custo à intensidade e duração do corte de carga a cada barra do sistema. O modelo também permite a reconfiguração da rede quando operando em contingências, por meio de alterações do estado das chaves, mudando a topologia. As funções de custo do corte de carga também são modeladas neste trabalho, considerando métodos analíticos e agregados para o cálculo do prejuízo sócio-econômico resultante da interrupção. A busca da solução ótima, que pode envolver corte de carga, despachos de geração e reconfiguração da rede, substituindo reforços realizados por obra, é obtida por um algoritmo genético evolutivo. Os procedimentos do modelo proposto representam um avanço do processo de planejamento convencional, porquanto introduz a componente continuidade de serviço de forma quantitativa, caracterizando o atendimento dos requisitos de sensibilidade das cargas de cada barra do sistema, lançando mão de recursos operativos, através de possíveis despachos e alterações topológicas. Um estudo de caso ilustra a aplicação do modelo proposto. / The need for reliable electrical energy supply continuity, the industrial demand and its dependence has been growing worldwide. Besides, it also concerns society and assures satisfaction and comfort of consumers. The consumer is the economic agent since he takes part in the system. On analyzing an electrical system, models are needed to represent the network and the load and optimization frameworks in order to make better investments and prioritize those which can benefit the consumer and the concession holder. The usual Planning Models commonly provide us with uneconomical solutions since the optimization is carried out through active investments or network reinforcements to attend the normal and the emergency condition (n-1 criteria), based on technical criteria, like voltage and overload . Frequently, these techniques recommended by the conventional analysis can be applied only in some contingencies, some of them with a small probability of occurrence.. This research develops an alternative to the conventional solutions, considering the investment optimization and using operative resources, such as: load shedding, generation rescheduling or network change operation (circuit breaker, e.g.) when operating in contingency. In this model, the generation is represented by a function that relates the intensity rescheduling and its costs and functions that relates load shedding cost, the intensity and duration of curtailment on each system bus. The model sets a network contingency reconfiguration, changing the circuit break situation (open or closed) and altering the topology. The calculation of cost of load discontinuity or social cost functions (damage cost) is shown in this thesis, considering analytical and aggregating methods. The search for an optimized solution can involve load shedding, generation rescheduling and topology changes as substitutes for network reinforcements, and may be obtained by genetic- evolutive algorithm. The procedures of the proposed model represent an advancement over the conventional Planning Process as it introduces, quantitatively, the consumer service continuity, meeting the sensibility criteria of the load characterization of each consumer class connected to the system bus, through operative resources, rescheduling, load shedding and topology changes. A case study illustrates the application of the proposed model.

O objetivo desta tese é desenvolver e implementar em computador uma metodologia para resolver o problema de alívio de carregamento utilizando técnicas de remanejamento ou corte de carga. Tal metodologia, fundamenta-se no Algoritmo Evolutivo Multiobjetivo em Tabelas, que foi desenvolvido inicialmente para o problema de restabelecimento de energia em sistemas de distribuição. Já metodologia desenvolvida nesta tese trata o problema de alívio de carregamento, buscando minimizar o número de consumidores sem fornecimento de energia elétrica e o número de operações de chaveamento. Todavia, é necessário a obtenção de um plano de manobras em chaves adequado de modo que este não inviabilize a implantação na prática e que resulte em soluções que contemplem: a ausência de sobrecarga na rede e nas subestações, a manutenção dos níveis de tensão dentro dos intervalos exigidos pela legislação e a manutenção da radialidade da rede. Para alcançar estes objetivos, utiliza-se técnicas que determinam a sequência de chaveamento necessária para o plano de alívio de carga obtido. Prioriza-se, ainda, o atendimento aos consumidores prioritários e o corte seletivo de cargas em condições de esgotamento das possibilidades de remanejamento entre os alimentadores primários. Ao aplicar a metodologia proposta em um sistema de distribuição real de grande porte da Companhia Energética de Pernambuco - CELPE, constatou-se que, em comparação com a técnica atualmente utilizada, a metologia desenvolvida é confiável e apresenta bons resultados no que se refere a: sequência exequível de manobras, diminuição do número de chaveamentos e redução do número de consumidores e consumidores prioritários sem atendimento. Além disso, a metodologia possui capacidade de aplicação em outros sistemas semelhantes e foi integrada em um sistema computacional com ambiente gráfico permitindo estudos de caso e armazenamento em banco de dados. / The objective of this research is to develop and implement a methodology for the treatment of load shedding problem due to the existence (operation) or the possibility to occur (planning) contingencies in supply system (High Voltage/Subtransmission). The methodology is based on Multiobjective Evolutionary Algorithm in Tables, initially developed for the service restoration problems in distribution systems. It aims to minimize the number of customers without electricity supply; minimizing the number of switching operations, so that it does not impede the implementation in practice; absence of overload in network and substations; maintaining the voltage levels within the ranges required by the laws of radiality and maintenance of the network. To achieve these goals, are used techniques for determining the required switching sequence for the load shedding plan obtained; prioritization of special consumer in service and selective load shedding when exhausted the possibilities of relocating loads between primary feeders. When applies the proposed methodology in a real large distribution system of the Energy Company of Pernambuco - CELPE, it can be seen that, compared with the technique currently used, it is reliable with good results regarding viable sequence of maneuvers; reducing the number of switchings and number of consumers and priority consumers without service in addition to be able to be applied in similar systems. The methodology has been integrated into a computer system in a graphical environment with facilities of case studies and storing information in the database.

With the current increased emphasis on the development of energy optimized vehicle systems architectures during the early phases in aircraft conceptual design, accurate predictions of these off-nominal requirements are needed to justify architecture concept selection. A process was developed for capturing architecture specific performance degradation strategies and optimally imposing their associated requirements. This process is enabled by analog extensions to traditional safety design and assessment tools and consists of six phases: Continuous Functional Hazard Assessment, Architecture Definition, Load Shedding Optimization, Analog System Safety Assessment, Architecture Optimization, and Architecture Augmentation. Systematic off-nominal analysis of requirements was performed for dissimilar architecture concepts. It was shown that traditional discrete application of safety and reliability requirements have adverse effects on the prediction of requirements. This design bias was illustrated by cumulative unit importance metrics. Low fidelity representations of the loss/hazard relationship place undue importance on some units and yield under or over-predictions of system performance.

Orientador: Prof. Dr. Edmarcio Antonio Belati / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2017. / Esta pesquisa propõe uma metodologia baseada no Fluxo de Potência Ótimo Reativo (FPOR), para a operação dos sistemas de transmissão sob emergência usando o mínimo corte de carga em associação com dispositivos Static VAr Compensator (SVC). O SVC é modelado pelo método da susceptância variável e inserido no problema do FPOR. A função multiobjetivo é formada em três partes, perdas de potência ativa, desvio da tensão e cortes de carga. Propõese um procedimento para calcular os valores dos pesos das funções de perdas e desvio da tensão sendo uma das contribuições deste trabalho. A função de mínimo corte de carga foi associada a uma variável que pode ser contínua ou binária, que corta uma porcentagem (contínua) ou a totalidade (binária) da potência da barra candidata, tratando-se assim como problemas de programação não linear (PNL) ou programação não linear inteira mista (PNLIM) respectivamente. O conjunto de barras candidatas ao corte de carga foi formado pelas barras críticas do sistema para cada situação de contingência e foi definido por meio de uma estratégia proposta neste trabalho para identificar as barras mais susceptíveis ao corte de carga. Para o tratamento das variáveis binárias do problema, foi usado o algoritmo Branch &Bound associado com o FPOR. A metodologia foi testada nos sistemas IEEE de 14 e 118 barras modificados para as diferentes situações de contingência simuladas neste trabalho. / This research proposes a methodology based on the Optimal Reactive Power Flow (ORPF) for the operation of the emergency transmission systems using the minimum load shedding in association with Static VAr Compensator (SVC) devices. The SVC was modeled as a variable susceptance and inserted in the ORPF problem. A multi-objective function was formed by three parts, namely, active power losses, voltage deviation and load shedding was device. Propose a procedure to calculate the values of the weights of the loss functions and the voltage deviation, one of the contributions of this research. The minimum load shedding function uses a variable that can be continuous or binary, which turns off a percentage (continuous) or all (binary) loads of candidate power buses, resulting in a Nonlinear Programming Problems (NLP) or Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) respectively. The critical buses of the system for each contingency formed the candidate set of buses for the load shedding and was defined by a strategy proposed in this research to identify the bus most susceptible to the load shedding. For the treatment of the binary variables of the problem, a Branch & Bound algorithms associated with the ORPF was used. This methodology was tested in the modified IEEE 14 and 118-bus systems for the different contingency situations simulated in this research.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire visent à évaluer des économies d'investissement inhérentes à l'implémentation du pilotage de charge. Pour ce faire, l'approche que nous avons proposée s'inscrit dans l'analyse de l'adéquation des infrastructures électriques avec les projections de la demande. Dans cette perspective, les travaux de modélisation que nous avons développés s'articulent en trois étapes. Premièrement, la capacité du pilotage de charge à modifier les appels des consommateurs a été évaluée. Le modèle que nous proposons tient à la fois compte des effets de bord des effacements de consommation et des limites de disponibilité des flexibilités des consommateurs. Sur la base de cette modélisation, nous avons proposé un modèle évaluant l'apport de ce pilotage pour l'équilibre offre-demande à long terme. Ce modèle quantifie les économies d'investissement dans les capacités de production que pourraient permettre des flexibilités au sein de la demande électrique. Enfin, nous avons complété cette approche en évaluant l'impact de ces flexibilités dans le dimensionnement des réseaux électriques. L'application de nos modèles à un scénario énergétique élaboré au sein du projet GreenLys a permis de dégager quelques conclusions importantes. Ainsi, l'essentiel des économies d'infrastructures induites par le pilotage de charge concerne les capacités de production. Néanmoins, une utilisation des flexibilités des consommateurs optimale pour l'équilibre offre-demande se traduit localement par des coûts d'infrastructure accrus. En particulier, nos simulations mettent en évidence qu'un tel pilotage de charge, optimal à l'échelle nationale, induit localement une augmentation des transits sur les heures les plus chargées de l'année. Aussi, nous avons montré que des modifications ponctuelles des programmes d'appel optimaux pour l'équilibre offre-demande suffisent à dégager des bénéfices pour l'ensemble du système électrique. Dans le cadre de notre étude, ces modifications sont motivées par les situations de défaillance probable des réseaux. Ces défaillances résultent de la concomitance d'aléas climatiques et techniques défavorables. L'analyse que nous avons produite révèle qu'en l'absence de prise en compte de la situation spécifique des réseaux de distribution, les intersaisons et les heures creuses pourraient devenir plus critiques dans la gestion de ces réseaux qu'elles ne le sont aujourd'hui. / The research presented in this report aims to evaluate investment savings related to the implementation of direct load control. To this end, the proposed approach fits into the framework of system adequacy analysis. In this perspective, the models that we have developed are structured in three stages. First, the ability of the direct load control to change consumer demand has been evaluated. The model we have proposed takes into account the side effects of load shedding and the limits of the consumer availability . Based on this model, we have proposed a model in order ro assess the contribution of this control to the long-term supply-demand balance. This model quantifies the investment savings in production capacity led by electric demand flexibilities. Finally, we completed this approach by evaluating the impact of these flexibilities in the design of electrical networks. These models have been applied to an energy scenario that has been developped in the GreenLys project. The simulations led to indentifysome important conclusions. Thus, most of the infrastructure savings induced by direct load controls deal with production capacities. Nevertheless, the optimal use of flexibilities optimal for consumer supply-demand balance is reflected locally by an increase in networks costs. In particular, our simulations show that such a load control strategy, which is optimal on the national level, locally induces an increase in power flows during the most loaded period of the year. Also, we have shown that slight modifications in consumers call programs are sufficient to generate profits for the entire electrical system. In the context of our study, these changes are motivated by the possible networks failures. These failures result from the conjunction of unfavorable climatic and technical hazards. The analysis that we have produced shows that misconsidering the specific situation of distribution networks could lead the shoulder season and the off-peak hours to become more critical in the management of these networks.

As conseqüências e repercussões do recente blecaute de grande escala ocorrido no Brasil em 2009, que afetou as regiões Sudeste, Sul, Centro-Oeste e Nordeste além do Paraguai todo; assim como aqueles que afetaram a região do Norte e Nordeste dos Estados Unidos (2003) e toda Itália, também em 2003, mostraram mais uma vez que na atualidade a sociedade tem uma dependência quase total da energia elétrica. Em todos os casos, a falta de energia elétrica atingiu de forma significativa vários setores da economia, ao passo que sistemas de transporte elétrico, indústrias e hospitais sem sistemas de geração emergencial, instituições acadêmicas, iluminação pública e residencial e, inclusive, sistemas de comunicação, ficaram praticamente inoperantes. Após esses eventos, houve uma busca por algumas alternativas que ofereçam maior confiabilidade no fornecimento de energia elétrica ou, pelo menos, alternativas que ajudem a minimizar o seu impacto. O estabelecimento de sistemas baseados em micro-redes elétricas mostrou-se como uma alternativa que poderia ser utilizada para tal finalidade, de tal forma que não apenas cargas críticas, mas também boa parte das atividades mencionadas poderia continuar operando durante períodos de contingência. Por outro lado, o conceito das micro-redes elétricas tem ganho recentemente maior atenção em virtude da crescente penetração de fontes de geração distribuída e dos incentivos providos pelos governos para promover a geração de energia através de fontes renováveis como por exemplo a energia eólica, solar, biomassa, hidrelétrica, e outras. Nos mais diversos países do mundo, atualmente, populações assentadas em regiões remotas utilizam esquemas baseados em micro-redes elétricas para o suprimento de energia elétrica. Assim, neste trabalho serão apresentados os resultados referentes ao estudo da tecnologia das micro-redes elétricas, especificamente o seu desempenho diante de condições operativas como o modo de operação ilhado e o modo conectado com a rede elétrica. Particularmente, a transição para o modo de operação ilhado demandou um estudo, através das simulações, mais dedicado. No que se refere à negociação da energia entre a micro-rede e a rede principal, quando da disponibilidade de energia excedente nos períodos de carga reduzida na micro-rede, será apresentada uma análise crítica dos possíveis métodos de tarifação, os quais até agora são apenas utilizados na forma de incentivos governamentais. Será também apresentada uma análise referente à viabilidade econômica de micro-redes, já que para que estas tenham atratividade econômica, os custos de aquisição de equipamentos e operação devem também ser competitivos. / After the occurrence of some major blackouts like the one that affected the Northern and Northeastern part of the United States in 2003, the one that affected the Southeast, Midwest and Northeastern part of Brazil including Paraguay, in 2009; and the blackout that affected the whole Italy in 2003, to mention a few a few of them, there was a rush for seeking some alternatives to deal with such events or at least find out feasible solutions that can contribute to diminish their impact. The lack of electric power, for whatever reason it was, unveiled one common fact, our modern society is so dependent on electricity that during the blackouts areas like the electrical transport system, financing activity, academic institutions, industries, health centers with no emergency or standby generation, public and residential lighting and even some communication systems failed to operate. The establishment of microgrid systems proved to be an alternative that could be used for this purpose; thus, not only critical loads, but also some of the activities mentioned earlier on could continue their operation during such emergency periods. In addition, the concept of micro-grid systems has recently gained particular attention due to the increasing penetration of distributed generation and also due to the incentives provided by the governments to promote the generation of electricity from renewable sources such as wind power, solar, biomass, small hydroelectric schemes, etc. At present, countless settlements located in remote areas worldwide use microgrid systems to generate and distribute electricity. In this work, the results related to the microgrid technology, specifically its performance towards system conditions such as the islanding mode and grid connected mode of operation will be presented. Particularly, the transition to the islanded mode of operation demanded a more dedicated study during the simulations performed. As for the energy trading between the microgrid and the utility, which can occur when the microgrid generators are lightly loaded, it will be presented a critical analysis about the possible tariff methods to be applied. Such tariffs are so far only applied in the form of government subsidies to promote the use of renewable energy sources. Additionally, an analysis of a microgrid economic feasibility to show how competitive or complimentary this technology is with the utility will be presented herein.

Pour atteindre les objectifs de réduction de consommation et augmenter la flexibilité de la demande des bâtiments, il est nécessaire de disposer de modèles de prévision de charge de climatisation facilement diffusables sur site et performants qui permettent la mise en place de stratégies d’optimisation énergétique et d’effacement. Cette thèse compare plusieurs architectures de modèles inverses (« boite noire », « boite grise »). Un modèle semi-physique d’ordre 2 (R6C2) a été retenu pour prévoir la puissance de climatisation et la température intérieure moyenne en chauffage et en refroidissement. Il permet aussi d’interpréter des situations inédites (effacement), absentes de la phase d’apprentissage. Trois stratégies d’optimisation énergétique et d’effacement adaptées aux contraintes d’exploitation sont étudiées. La première permet d’optimiser la relance en chauffage afin de réduire la consommation et d’atteindre effectivement la température de confort le matin. La seconde stratégie optimise les températures de consigne sur une journée dans un contexte de prix variable de l’énergie, ceci afin de réduire la facture énergétique. Enfin, la troisième stratégie permet au bâtiment de s’effacer en limitant la charge tout en respectant des critères de confort spécifiés. Le modèle R6C2 et les stratégies ont été confrontés à un bâtiment réel (une école élémentaire). L’étude montre qu’il est possible de prévoir la puissance électrique et la température moyenne d’un bâtiment complexe avec un modèle mono-zone ; elle permet d’évaluer les stratégies développées et d’identifier les limites du modèle. / To reach the objectives of reducing the energy consumption and increasing the flexibility of buildings energy demand, it is necessary to have load forecast models easy to adapt on site and efficient for the implementation of energy optimization and load shedding strategies. This thesis compares several inverse model architectures ("black box", "grey box"). A 2nd order semi-physical model (R6C2) has been selected to forecast load curves and the average indoor temperature for heating and cooling. It is also able to simulate unknown situations (load shedding), absent from the learning phase. Three energy optimization and load shedding strategies adapted to operational constraints are studied. The first one optimizes the night set-back to reduce consumption and to reach the comfort temperature in the morning. The second strategy optimizes the set-point temperatures during a day in the context of variable energy prices, thus reducing the energy bill. The third strategy allows load curtailment in buildings by limiting load while meeting specified comfort criteria. The R6C2 model and strategies have been faced with a real building (elementary school). The study shows that it is possible to forecast the electrical power and the average temperature of a complex building with a single-zone model; the developed strategies are assessed and the limitations of the model are identified.

At present, one of the main issues in electric power networks is the reduction in conventional generation and its replacement by low inertia renewable energy generation. The balance between generation and demand has a direct impact on the system frequency and system inertia limits the frequency rate of change until compensation action can be undertaken. Traditionally generation managed frequency. In future, loads may be required to do more than just be able to be switched off during severe under frequency events. This thesis focuses on the development and practical implementation of the control structure of a smart adaptive load for network power-frequency support applications. The control structure developed makes use of advanced demand side management of fan loads (powered by AC drives) used in heating, ventilation, and air conditioning systems; where a change in power at rated load has little effect on their speed due to the cubic relationship between speed and power. The AC drive implemented in this thesis is based on an induction motor and a two level voltage source converter. To achieve the smart adaptive load functionality, first a power-frequency multi-slope droop control structure (feedforward control) is developed; relating the frequency limits imposed by the network supplier and the fan power-speed profile (Chapter 2, Fig 2.19). Secondly, this control structure is combined with the control developed, in Chapter 3, for the AC drive powering the fan load. The full development of the control structure of the AC drive, its tuning process and its practical implementation is given; an equation is developed to find suitable tuning parameters for the speed control of the nonlinear load (fan load), i.e. Eq. (3.59).The analysis and simulation results provided in Chapter 4 conclude that a fast control of the active power drawn by the AC drive is possible by controlling the electromagnetic torque (hence current) of the induction motor without disturbing the fan load overly. To achieve this, changes between closed loop speed control and open loop torque control (power control) are performed when needed. Two main issues were addressed before the hardware implementation of the smart adaptive load: the estimation of the network frequency under distorted voltage conditions, and the recovery period of the network frequency. In this thesis two slew rate limiters were implemented to deal with such situations. Other possible solutions are also outlined. Finally, experimental results in Chapter 5 support results given in Chapter 4. A full power-frequency response is achieved by the smart adaptive load within 3s.