RésuméLa République Démocratique du Congo est dotée d’un potentiel hydroélectrique estimé à 100.000MW répartis sur 217 sites, dont 2.6% du potentiel est exploité à ce jour. Malgré ce potentiel, malheureusement le taux d’accès de la population congolaise à l’électricité est de 9%, contre une moyenne africaine évaluée à 24.6%. La province du Katanga étant le poumon économique de la RDC est dotée de 24 sites pouvant produire une puissance exploitable de 1952MW, mais actuellement, seulement 4 sites sont en exploitation pour une puissance de 468MW.Suite à l’intensification d’activités industrielles dans la province du Katanga pour la production de matières premières (cuivre et cobalt essentiellement) ces dernières années et à l’accroissement de la population urbaine, la demande en énergie électrique ne fait qu’augmenter d’année en année. Le gestionnaire de réseau face à cette réalité, recourt en permanence à l’importation d’électricité depuis la Zambie pour satisfaire la clientèle. Mais malgré ce recours, la charge n’est pas totalement satisfaite, alors le gestionnaire est conduit à instaurer une politique de délestage tournant pour soulager son réseau électrique.Le but de notre thèse est l’amélioration de la fiabilité/sécurité d’approvisionnement du réseau katangais par des approches locales qui sont constituées de construction de nouvelles centrales électriques et de voir dans quelle mesure le recours au stockage peut contribuer à cette amélioration. La fiabilité du système électrique sera caractérisée par les indicateurs de fiabilité de niveaux hiérarchiques I et II. Pour atteindre notre objectif, une modélisation simplifiée, mais suffisamment détaillée, du réseau électrique sud/SNEL (Société Nationale d’Electricité) s’est avérée nécessaire, et l’application des outils de résolution des OPF (Optimal Power Flow) à ce réseau nous a permis d’estimer les indicateurs de fiabilité et de faire également l’analyse de sécurité du système. Cette analyse a servi à identifier les lignes et transformateurs candidats au renforcement du réseau.Les résultats obtenus ont montré une faible influence de l’utilisation des unités de stockage sur les indicateurs de fiabilité au niveau de la haute tension. Néanmoins des bons résultats ont été obtenus lors de l’utilisation du stockage au niveau de la distribution. Pour améliorer davantage les indicateurs de fiabilité, nos recherches présentent les perspectives sur les modèles de charge, la prise en compte d’un modèle de réseau étalé jusqu’à la moyenne tension ainsi d’une étude dynamique. SummaryThe Democratic Republic of Congo (DRC) is endowed with a hydroelectric potential estimated at 100.000MW. This potential is distributed on 217 sites, among which only 2.6% is exploited to this day. But unfortunately, in spite of this potential, only 9% of the Congolese population have access to electricity, while the African average is estimated at 24.6%. The province of Katanga, considered as the economic lung of the DRC, is endowed with 24 sites, which can produce an exploitable power of 1952MW. At present, only 4 out of the 24 sites are in exploitation, for an installed power of 468MW.These last years, the province of Katanga has encountered an intensification of industrial activities for the production of raw materials such as copper and cobalt. Furthermore, the urban population is rapidly expanding. These two factors are causes of a constant increase of the demand in electrical energy. To deal with this requirement, the electrical system operator is forced to import a part of the supply from Zambia in order to satisfy the customers. However, despite this importation, the load is not fully satisfied. The system operator must then establish a policy of rotating load shedding to relieve the network.The purpose of our thesis is the improvement of the supply reliability/safety of the Katanga network, by local approaches which are constituted of the construction of new power plants, and to see to which extent storage can contribute to this improvement. The reliability of the electrical system will be characterized by reliability indicators at hierarchical levels I and II. To reach this goal, a simplified, yet sufficiently detailed modeling of the south network/SNEL (National Company of Electricity) was necessary, and the application of OPF (Optimal Power Flow) tools to this network model allowed us estimating the reliability indicators and making the safety analysis of the system. This analysis helped identify lines and transformers that are candidates to the reinforcement of the network.The obtained results showed a weak influence of the use of the storage units on the reliability indicators at the high voltage level. Nevertheless, good results have been obtained when using storage at the distribution level. For a better improvement of the reliability indicators of the Katanga network, our research works present perspectives on the models of load, taking into account an extended network model up to the medium voltage and a dynamic study. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La montée en puissance des systèmes de production de l'énergie électrique, à partir de centrales éoliennes ou photovoltaïques, a fait apparaître un besoin aigu en moyens de stockage de cette énergie. Les technologies d'accumulateurs électrochimiques sont à même de répondre à cette problématique, en particulier les batteries sodium chlorure de nickel, une technologie d'accumulateur à haute température. Mais afin de gérer au mieux les performances de ces batteries, il est nécessaire d'avoir une connaissance approfondie du comportement électrothermique des cellules unitaires les composant. Ce travail de thèse présente en détail le développement d'un modèle multiphysique 2D d'une cellule Na-MCl2 commerciale, à même de simuler son fonctionnement en décharge à courant constant. Ce modèle a été construit sur une étude approfondie des mécanismes électrochimiques à l'œuvre dans ce type de technologie, et des effets thermiques associés. Il repose également sur la synthèse et la critique des modèles proposés précédemment dans la littérature. Le modèle inédit proposé dans ce manuscrit permet de prendre en compte deux réactions électrochimiques simultanées, ainsi que le comportement thermique de la cellule. Le modèle a été validé en confrontant les résultats de simulations aux performances électriques réelles d'une cellule commerciale Na-MCl2 (incluant une caractérisation des phénomènes électrochimiques par voltammetrie cyclique). Ce modèle permet de simuler avec succès des décharges à courant constant à différents régimes, et à partir de différentes températures. Il est également capable de prévoir les effets électrothermiques qui seraient consécutifs à un changement de design de la cellule (design structurel et de constitution). / The growing production capacity of wind turbines or photo-voltaic plants has revealed an acute need for electric energy storage systems. Electrochemical accumulator technologies are able to address this issue, in particular sodium nickel chloride batteries, a high temperature battery system. But to enhance the energy management of these batteries, it is necessary to have a deep knowledge of the electro-thermal behavior of its unit cell component. This thesis presents the development of a comprehensive multiphysics 2D model of a commercial Na-MCl2 cell, able to simulate its operation in constant current discharge. This model was built on a thorough study of electrochemical mechanisms at work with this type of technology, and its associated thermal effects. It is also based on the synthesis of existing models, and their critique. The new model proposed in this manuscript can take into account two simultaneous electrochemical reactions, as well as the thermal behavior of the cell. The model was validated by comparison between simulation results and the actual electrical performances of a commercial Na-MCl2 cell (including the characterization of electrochemical phenomena by cyclic voltammetry). This model successfully simulates constant current discharges at different rates, and from different temperatures. It is also capable of predicting the electro-thermal effects consecutive to design changes of the cell (structural and relevant to the active material).

La micro cogénération désigne la génération simultanée de deux types d’énergie à faible puissance. En énergétique, ce terme désigne en pratique la production simultanée d’électricité et de chaleur : le principe reposant sur la récupération de la chaleur fatale induite par la production électrique. Deux bancs d’essais ont d’abord été réalisés sur deux prototypes de micro cogénérateurs : un moteur Stirling à gaz et un moteur à vapeur à granulés de bois. Une campagne expérimentale a été menée pour caractériser chaque système au niveau énergétique et environnemental. Les résultats expérimentaux ont abouti sur deux modèles numériques dynamiques et semi-physiques de micro cogénérateurs programmés dans l’environnement numérique TRNSYS où une plateforme numérique de simulation a été développée. Celle-ci intègre principalement des modèles de systèmes de stockage d’énergie, des générateurs stochastiques de fichiers de besoins énergétiques et des stratégies innovantes de pilotage des systèmes et des charges selon des critères de précision et de réalisme.Cette plateforme a permis d’évaluer la pertinence énergétique, environnementale et économique de micro cogénérateurs couplés aux bâtiments d’habitation et au réseau électrique selon différentes configurations. / Micro combined heat and power (µCHP) or cogeneration means the simultaneous generation of two energy types. In energetic fields, this term refers usually to the simultaneous production of electricity and heat: the principle being based on the recovering of the fatal heat induced by the electricity production processes.Firstly, two test benches were carried out on two µCHP prototypes: a gas Stirling engine and a wood pellets steam engine. Experimental investigations were conducted to characterize each system at energy and environmental levels. The experimental results led two dynamic and semi physical numerical models of µCHP systems programmed in the numerical tool TRNSYS where a numerical platform has been developed. This platform integrates mainly energy storage systems models, stochastic energy needs file generators and innovative management strategy of systems and energy loads according to precision and realism criteria.This platform allows assessing realistic energy, environmental and economic relevance of µCHP systems coupled with dwelling buildings and the power grid according to different configurations.

Ce mémoire est consacré à l'étude du phénomène d'instabilité pouvant apparaître sur les bus continus des réseaux DC. En effet, l'interaction entre les différents sous-systèmes électriques (source, charge, filtre) composant le réseau DC peut conduire, sous certaines conditions, à l'instabilité du système. A partir de la modélisation des charges sous forme de "Charge à Puissance Constante" (notée CPL), des méthodes d'études permettant l'analyse de la stabilité "petit-signal" et "grand-signal" des systèmes électriques sont présentées. Celles-ci permettent de mettre en évidence le fait qu'un réseau DC ne peut pas fournir n'importe quelle puissance à ses charges sans devenir instable. Ces puissances limites dépendent à la fois de la structure du réseau et des valeurs de ses éléments passifs et de sa tension de bus. Afin de pouvoir augmenter l'amortissement/les marges de stabilité du système, des méthodes de stabilisation sont présentées dans ce mémoire. Elles proposent d'adapter les commandes des charges de manière à assurer sa stabilité. Ceci se fait grâce à l'addition d'un signal stabilisant sur la référence de chaque charge. Ce signal n'est visible que durant les régimes transitoires de la charge afin de ne pas modifier le point de fonctionnement demandé. Néanmoins, plus on voudra stabiliser une charge et plus son signal stabilisant sera important. Un bon compromis doit donc être trouvé afin d'assurer la stabilité du système sans altérer les performances dynamiques des charges. Deux approches différentes sont proposées afin de générer ces commandes stabilisantes. La première se base sur la mise en place d'un stabilisateur centralisé. Deux méthodes centralisées sont alors proposées : la première s'appuie sur la théorie des multimodèles de Takagi-Sugeno alors que la seconde s'appuie sur la théorie de Lyapunov. Cette dernière permettra d'orienter les efforts de stabilisation sur les charges souhaitées pour par exemple, les diriger principalement vers les organes de récupération d'énergie. La seconde approche se base sur la mise en place d'un système de stabilisation multi-agent. Celui-ci présente une structure décentralisée où chaque agent correspond à un bloc de stabilisation. Ceux-ci vont compenser localement les impacts déstabilisants de leur charge respective et leurs actions combinées permettront d'assurer la stabilité du système. De plus, on propose d'utiliser un algorithme d'optimisation sous contraintes qui permettra de donner un dimensionnement du système minimisant les efforts de stabilisation tout en considérant des cas de défaut tels que la perte de l'un des agents ou la reconfiguration du réseau / This thesis is devoted to the analysis of the instability phenomenon that may appear on the DC bus of DC microgrids. Indeed, interaction between the different electrical subsystems of the grid (source, load, filters) can lead, under certain conditions, to the system instability. From the "Constant Power Load" (CPL) hypothesis for the loads, this thesis presents studying methods for "small-signal" and "large-signal" stability analysis of electrical systems. This highlights that a DC microgrid cannot power the loads more than a maximum limit without becoming unstable. This power limitation depends on the structure of the grid, the value of its passive components, and its bus voltage. In order to improve the microgrid stability, stabilization methods are presented in this thesis. They propose to adapt the loads control to ensure the system stability. This is achieved by the addition of a stabilizing signal to the reference of each load. This signal is only visible during the load power transient mode to not change the requested operating point. However, a good trade-off must be found to ensure system stability without affecting the dynamic performance of its loads. Two approaches are investigated to generate the stabilizing commands. The first one is based on the establishment of a centralized stabilization block. Two centralized methods have been developed: the first one is based on the Takagi-Sugeno theory while the second is based on the Lyapunov theory. This latest permits to guide the stabilizing effort on the desired loads. For example, stabilizing effort can be oriented on the energy storage device. The second approach is based on the establishment of a multi-agent stabilizing system. It consists of a decentralized structure in which each agent corresponds to a stabilization block. These will locally compensate the destabilizing impact of their respective load on the microgrid, and their combined actions ensure the system stability. To design the system, the use of a constrained optimization algorithm is proposed. This permits to minimize stabilization efforts while considering faulty events such as the failure of one of the agents or a reconfiguration of the microgrid