Suite aux contraintes environnementales imposées à la production classique d’électricité, les énergies à caractère renouvelable se développent très vite grâce aux politiques gouvernementales. En pratique, la nature des sources primaires étant aléatoire, l’introduction d’énergie renouvelable dans un réseau électrique peut impacter le fonctionnement du système électrique et la qualité de la puissance. L’utilisation des méthodes probabilistes dans la planification du système électrique s’avère alors nécessaire pour un système électrique composé d’une quantité importante de sources peu prévisibles. Cependant, ces méthodes probabilistes sont actuellement limitées à la planification long-terme à cause de leur temps de calcul élevé. Dans le cadre de cette thèse, une nouvelle approche probabiliste basée sur un couplage entre la formule des probabilités totales et la méthode de fiabilité du premier ordre est proposée pour l’évaluation de la fiabilité du système électrique à court terme. Elle prend en compte la probabilité de défaillance non prévue des composants du système, l’incertitude dans les prévisions de la production renouvelable et de la consommation. A l’aide de cette méthode, les indicateurs permettant de quantifier la fiabilité de fonctionnement du système électrique et l’utilisation des ressources renouvelables peuvent être déterminés. Grâce à ces indicateurs, la fiabilité du système électrique intégrant des énergies renouvelables peu prévisibles peut être évaluée. Le temps de calcul faible de la méthode permet de l’utiliser pour valider la planification court-terme, qui est faite un jour à l’avance pour la journée considérée (J). / Following the environmental constraints to conventional power generation, renewable energy character grows very quickly thanks to government policies. In practice, the nature of primary sources is random, the introduction of renewable energy in an electrical network may impact the operation of the power system and the quality of the power. The use of probabilistic methods in planning the power system becomes necessary for a power system consisting of a large amount of less predictable sources. However, these probabilistic methods are currently limited to long-term planning due to their high computation time. In this thesis, a new probabilistic approach based on a coupling between the law of total probability and the first order reliability method is proposed to evaluate the reliability of the power system in short-term. It takes into account the probability of unanticipated failure of system components, the uncertainty in forecasts of renewable generation and consumption. With this method, the indicators used to quantify the reliability of the power system and the use of renewable resources can be determined. Therefore, the reliability of the power system incorporating less predictable renewable energy can be evaluated. The low computation time of the method allows it to be used to validate the short term planning, which is made one day in advance to the considered day (J).

La conception des composants et systèmes électriques est en pleine évolution, poussée par les besoins sociétaux en terme d'environnement et d'efficacité énergétique. Notre société est basée sur une énergie bon marché et facilement accessible, ce que nous procure, entre autres, l'électricité. Les composants et systèmes électriques font partis de notre quotidien et permettent de faire fonctionner la totalité de nos moyens de production. Ils sont tellement présents, qu'ils pourraient presque passer inaperçus. C'est pourquoi, leur conception est capitale afin de les rendre plus performants, c'est-à-dire mieux adaptés aux besoins de chacun. Les composants et systèmes électriques ont évolué grâce à une meilleure maîtrise des matériaux. Les aimants terres rares, à hautes énergies, ont permis de concevoir des moteurs électriques compacts à fort couple massique comme par exemple, ceux des nouvelles chaînes de traction AGV d'Alstom. Les systèmes sont de plus en plus complexes et doivent être de plus en plus performants sur un panel de critères de plus en plus large. Le défi offert aux ingénieurs de conception est grand. Il est donc indispensable d‟intégrer de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies dans le processus de conception pour faire face à ce challenge. C'est au niveau des méthodologies et des outils que se situe notre apport. En effet, les moyens de calcul ont fortement progressé et permettent d‟utiliser les outils de modélisation et d‟optimisation relativement simplement. Toutefois, leur mise en œuvre dans une démarche de conception est complexe, car elle fait intervenir l‟environnement et l‟acteur humain. Les outils d‟optimisation sont bien adaptés aux besoins de la conception car ils permettent de proposer une solution optimale en fonction d‟un nombre important de variables et de critères, pouvant s‟exprimer sous la forme d'objectifs ou de contraintes. Les outils de modélisation ont fortement progressé et permettent une représentation précise des phénomènes physiques. Deux grandes familles existent : les modèles analytiques et les modèles numériques. Les deux peuvent être intégrés dans un processus de conception. Toutefois, aussi précis soient-ils, ils restent des modèles et sont donc liés à un certain nombre d'hypothèses. L‟utilisation de méthode d‟optimisation pour la conception conduit à rechercher des solutions optimales au niveau global, ce qui impose la construction de modèles prenant en compte de nombreux aspects physiques pour répondre aux besoins de conception. La seule connaissance des phénomènes magnétiques et électriques pour concevoir un moteur électrique n‟est plus suffisante ; il faut intégrer, la thermique, les aspects de bruit et de vibration, l‟effet de la commande et gérer les interactions entre le moteur et le convertisseur en intégrant la charge. Le processus de conception a donc à gérer un ensemble de modèles pouvant être de natures différentes et de précision variable. La bonne adéquation entre les modèles, et les liens créés entre eux, font la qualité du modèle de conception. Cette multiplicité de modèles pose un réel problème au concepteur, qui doit soit construire la totalité des modèles, soit se les procurer. Généralement, le concepteur est expert dans une discipline et aura donc moins de connaissances dans les autres. Pour un système complexe constitué de nombreux composants et faisant intervenir de nombreuses disciplines, il est nécessaire de répartir l‟effort de modélisation. D‟autant plus, qu‟au sein de la communauté scientifique ou des entreprises, des modèles testés et validés existent déjà. Un besoin de capitalisation et d‟appropriation des modèles est donc indispensable. L‟obtention d‟un modèle n‟est pas un but, mais un moyen pour le concepteur. La définition du problème de conception et la formulation du problème d‟optimisation sont primordiales. La définition du problème peut être vue comme une stratégie et la méthode d‟optimisation comme une tactique pour aboutir à une conception optimale. Les deux sont étroitement liées et influent réciproquement l'une sur l'autre. Chaque méthode d‟optimisation a des avantages et des inconvénients. La formulation du problème d'optimisation doit se faire en connaissant les possibilités de la méthode d‟optimisation en liaison avec le modèle. Le concepteur doit avoir des notions d‟optimisation pour formuler correctement son problème et connaître suffisamment ses modèles pour rester dans leur domaine de validité. L'utilisation d'une méthode d'optimisation au sein d'un processus de conception permet de trouver la cause des effets désirés. La méthode d‟optimisation et le modèle sont liés. La méthode d‟optimisation peut prendre en charge tout ou partie des non-linéarités du modèle pour faciliter son expression par le concepteur ou améliorer sa résolution en permettant de scinder les modèles pour pouvoir distribuer les calculs. Le processus d'optimisation lui-même peut être décomposé en un ensemble de problèmes d'optimisation interagissant les uns sur les autres, ce qui permet de gérer d'une manière répartie les modèles et les processus d'optimisation. Les outils d'optimisation doivent être utilisés au niveau le plus haut du processus de conception pour créer un impact maximum sur la conception des composants et du système. Ainsi, de fait, le processus de conception optimal garantit une bonne adéquation des composants au système.

Depuis quelques années, avec les progrès en électronique de puissance et pour améliorer les performances, le confort et la sécurité des utilisateurs, l'électricité devient le vecteur énergétique principal en remplacement de l'hydraulique et du pneumatique dans les domaines de l'automobile, du naval et de l'aéronautique.<br /> Airbus ne se situe pas en dehors de cette évolution. Son objectif à moyen terme est de rationaliser l'énergie à bord pour aller vers un avion de plus en plus électrique : les systèmes alimentés par l'énergie hydraulique et pneumatique (commande de vol, conditionnement d'air...) seront remplacés par l'énergie électrique, plus facile à acheminer. Ainsi, la puissance électrique installée augmente rapidement : 275 kVA pour l'Airbus A320, 900 kVA pour l'Airbus 380, autour de 1 MVA pour le futur Airbus A30X de type «bleedless ». Pour répondre aux enjeux posés par cette montée en puissance, une nouvelle architecture du système électrique est nécessaire. <br /> L'objectif de cette thèse est d'étudier et de créer des méthodes et des outils pour l'optimisation du dimensionnement d'un système électrique embarqué de manière à répondre à un certain nombre de critères (masse, coût, fiabilité) tout en respectant un certain nombre de contraintes (qualité réseau, stabilité). Ces méthodes et outils sont ici utilisés pour traiter le problème de la conception : un canal de puissance d'un réseau du bord de la nouvelle génération d'avion Airbus (type «bleddless »).

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de conception d’une stratégie de gestion de l’énergie dans un système hybride de génération d'énergie électrique composé d’une pile à combustible (PC) et un module de supercondensateurs (SC). La source hybride fournit une puissance maximale de 1,2 kW et sa conception implique des décisions concernant la sélection de l’architecture du système hybride ainsi que le choix de la topologie et le dimensionnement d’une unité de convertisseurs. La stratégie de gestion vise à satisfaire la demande d’énergie électrique de la charge et favoriser la consommation énergétique efficiente ; sa performance est évaluée en développant un simulateur qui comprend la dynamique des éléments mis en jeu : deux sources et l’unité de convertisseurs. Le générateur hybride est supposé alimenter un profil de consommation correspondant à un véhicule électrique, de ce fait un cycle standard de conduite en ville en échelle est demandé lors des simulations, ce qui permet d’évaluer la performance du générateur hybride et plus spécifiquement de la stratégie de gestion énergétique.Dans une première étape de cette thèse, un simulateur intégral a été construit avec des librairies de Simscape. Le simulateur est constitué des blocs de différents domaines, contenant des modèles fondamentaux des composants du système. Le block de pile à combustible modèle la dynamique d’un système BAHIA® (400 W - 1100 W, 0 A - 70 A nominale) et le block de supercondensateur modèle les cycles charge-décharge d’un module Maxwell de 400 F et 16 V. Un onduleur de tension pont complet avec convertisseur élévateur conditionne l’énergie délivrée par la pile à combustible et un convertisseur bidirectionnel (buck-boost) est connecté au module de supercondensateurs afin de conditionner les cycles de charge-décharge. L’unité des convertisseurs a été dimensionné, puis, un modèle moyen de petits signaux a été formulé afin de décrire la dynamique de ces dispositifs. Les différents composants ont été intégrés dans l’environnement Simulink. Dans une deuxième étape, la stratégie de gestion énergétique a été conçue en considérant les caractéristiques et performances des sources ; le résultat est une stratégie de trois niveaux hiérarchiques, dont l’aspect principal es la définition des lois de commande locales et globale. Dans une troisième étape, le système complet est évalué en termes du niveau d’utilisation des sources, du domaine d’opération de la pile à combustible, et de l’accomplissement des objectifs des commandes locales et global, qui engagent notamment le SOC des supercondensateurs et la régulation de la tension du générateur hybride. / Energy generation from fossil fuels combustion is predicted to have severe future impacts in the world’s economy and ecology. Fuel cells and supercapacitors are an alternative power source, environmentally friendly.This dissertation presents a regulation architecture developed to coordinate a hybrid renewable source for typical solicitations of electric vehicles in a scaled operating range of 1 kW. The hybrid system is composed of a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell module, a supercapacitors bank and their respective power conditioning units. In order to optimize the overall operation, the proposed strategy is organized into three hierarchical levels, and the power demand for each energy source is determined in real time with a basis on a frequency distribution and a cutoff frequency, defined in accordance with the dynamical capabilities of the sources.Even if numerous researches have been reported on the subject, few studies have taken into account the proper dynamics of each source in order to optimize the global performance of the hybrid power supply.The goal of this work is to implement a complete simulator integrating not only dynamical models of each energy source, but also dynamical models of the power conditioning units. The control strategy consists of nested loops, arranged in three functional levels of hierarchy. The central idea is to find the optimal set point for each energy source, according to their own physical properties. Contrary to the existing control strategies, this strategy dynamically calculates the appropriate power demand for each energy source. Due to the complexity of the system, cascade control loops are proposed, organized into blocks, according to the system functionality and dynamics.A functional simulation is obtained, where the system ensures the adequate supercapacitor state of charge and soft current demands to keep the fuel cell working in its safe operating region. Thus, lower fuel consumption and rapid response to load demands are guaranteed to improve efficiency.Results demonstrate that the control strategy allows the regulation of the DC bus voltage under UDDS and ECE-15 driving cycles as load profiles. The fuel cell works within its maximum efficiency region, without falling in the degradation zone. In addition, the supercapacitor state of charge remains within the recommended range.

La distribution reste le segment du secteur de l’électricité le moins étudié. Mais les débats s’animent autour d’elle depuis deux ou trois ans quant aux changements structurels possibles du fait notamment de l’émergence amorcée ou annoncée des smart technologies: ils pourraient en effet remettre en cause dans les prochaines années les modèles d’affaires actuels des GRD et leur mode de régulation. Mais de nombreuses incertitudes pèsent sur leurs choix d’investissements. La thèse vise à anticiper les évolutions des modèles d’affaires des GRD en Europe à l’horizon 2030 en tenant compte des paramètres technologiques, macroéconomiques et géographiques. Elle propose une vision théorique et analytique originale, en introduisant tout d’abord la notion de « technologies à potentiel naturel » pour étudier le développement optimal de différentes technologies par contexte géographique et par scénario de référence. A partir de ces résultats, elle définit alors différentes évolutions possibles des activités de la distribution. Le croisement de ces futurs avec les différentes stratégies d’investissement envisageables pour les GRD permet de définir les futurs modèles d’affaires des GRD européens en fonction des combinaisons de smart technologies déployées et des contextes géographiques contrastés. Dans sa dernière partie, la thèse s’intéresse tout particulièrement aux changements prévisibles dans la relation GRD / régulateur sectoriel via une formalisation par la théorie des jeux. Enfin, en s’appuyant notamment sur les études théoriques de Brian Arthur, la thèse identifie les différents effets lock-in qui pourraient entraver l’émergence des smart technologies et les solutions possibles / Distribution activities have been the least studied domain of the electricity sector; over the last few years though, strong debates emerged with regards to the future. Indeed, this activity might soon undergo some deep structural changes, particularly as smart technologies are deployed: theses technologies could strongly impact the current business cases of the DSOs, along with the regulation now in effect, at a time when numerous uncertainties weigh on the distributors choices of investments. This thesis investigates the distributors’ business models evolutions in Europe for the next 20 years, based on technological, macroeconomic and geographical parameters. It proposes an original approach, both theoretical and analytical, to better understand the future world of DSOs. At first, it introduces the notion of “technologies with natural potential” in order to study the optimal development of the different technologies, by geographical context and macroeconomic scenarios. From these results, it then defines various possible evolutions of the distribution activities. Crossing these futures with the various possible investment strategies for the DSOs makes it possible to define the future business models of the European DSOs, according to various combinations of smart technologies displayed and contrasted geographical contexts. In its last part, the thesis studies the predictable changes in the relation DSO / regulator, using a formalization based on the Games Theory; this work is complemented by identifying the different lock-in effects (using the approach described in Brian Arthur’s studies) that could hinder the emergence of smart technologies, and the possible solutions

Dans un contexte de développement des énergies renouvelables et des liaisons HVDC dans les systèmes électriques, les travaux présentés s’attachent au fonctionnement technique de tels systèmes. La génération éolienne, photovoltaïque et les liaisons HVDC sont interfacées par dispositifs d’électronique de puissance au réseau de transport électrique. Dès lors, serait-il envisageable d’alimenter la demande électrique uniquement via des sources électriques interfacées par des convertisseurs statiques ?Le pilotage du système électrique par électronique de puissance constitue un changement radical du fonctionnement dynamique des réseaux. La traditionnelle stratégie de commande « grid-following » des onduleurs a montré ses limites lorsque la pénétration de ces dispositifs devient importante. Elle doit être révisée au profit de stratégies dîtes « parallel grid-forming ».Dans cette thèse, les besoins fondamentaux du système électrique sont d’abord analysés pour définir les exigences de la stratégie « parallel grid-forming », ainsi que les défis associés. Selon ces spécifications, une méthode de synchronisation de sources « grid-forming » est ensuite proposée ainsi qu’un contrôle de tension, adapté aux limitations physiques des convertisseurs de tension PWM. La stabilité de la solution est discutée pour différentes configuration de réseau. Enfin, une stratégie de limitation du courant a été spécifiquement développée pour palier la sensibilité des VSC aux sur courants, lors d’évènements réseaux éprouvant. Les idées développées sur un convertisseur unique sont appliquées à petits réseaux afin d’extraire des interprétations physiques depuis des simulations temporelles / In the context of renewable energy and HVDC links development in power systems, the present work concerns the technical operations of such systems. As wind power, solar photovoltaics and HVDC links are interfaced to the transmission grid with power-electronics, can the system be operated in the extreme case where the load is fed only through static converters?Driving a power system only based on power electronic interfaced generation is a tremendous change of the power system paradigm that must be clearly understood by transmission grid operators. The traditional “grid-feeding” control strategy of inverters exhibits a stability limit when their proportion becomes too important. The inverter control strategy must be turned into a “parallel grid-forming” strategy.This thesis first analyses the power system needs, proposes the requirements for “parallel grid-forming” converters and describes the associated challenges. Accordingly, the thesis gives a method for designing a stable autonomous synchronization controls so that grid-forming sources can operate in parallel with a good level of reliability. Then, a method is proposed to design a voltage control for a grid-forming PWM source taking into account the limited dynamic of large converters. The robustness of the solution is discussed for different configuration of the grid topology. A current limiting strategy is presented to solve the current sensitivity issue of grid-forming converters, subject to different stressing events of the transmission grid. The ideas developed on a single converter are then applied on small grids with a limited number of converters to allow a physical interpretation on the simulation results.

La fiabilité de fourniture est une caractéristique essentielle des systèmes électriques : elle évalue leur capacité à se prémunir d'incidents d'exploitation et repose sur leurs réserves dynamiques, caractérisées par le plan de tension et la fréquence et dont les temps caractéristiques varient entre quelques millisecondes et quelques heures. Or, les exercices de prospective long terme, s'intéressant à l'évolution des systèmes énergétiques sur plusieurs décennies, ne permettent pas d'apprécier cette fiabilité de fourniture et les systèmes électriques proposés sur l'horizon prospectif peuvent alors de ne plus la garantir. Ceci d'autant plus que l'intégration massive d'énergies renouvelables pourrait se faire au détriment de la fiabilité, du fait de la complexité induite par la gestion de l'intermittence. L'enjeu de notre étude est de rendre compatible l'évaluation de la fiabilité avec la dynamique temporelle associée aux exercices prospectifs de long terme. Nous proposons une représentation agrégée des systèmes électriques élaborée à travers une description thermodynamique de l'électromagnétisme. Cette approche nous permet d'établir deux indicateurs de fiabilité relatifs aux réserves dynamiques du système électrique et donc de quantifier de façon originale le niveau de fiabilité d'un système électrique en fonction du mix de production qui lui est associé. L'intérêt des indicateurs est démontré pour l'île de La Réunion où l'étude de la fiabilité du système électrique est réalisée sur les résultats issus de l'exercice de prospective long terme avec le modèle TIMES. Ce cas d'étude illustre particulièrement bien notre problématique puisque les acteurs publics de l'île se sont fixé pour objectif un mix de la production d'électricité en 2030 issu de 100% d'énergies renouvelables. L'analyse de ce scénario, et de quelques variantes, montre que les niveaux des réserves dynamiques diminuent avec l'intégration massive d'énergies renouvelables et qu'ils sont particulièrement préoccupants pendant la journée, lorsque la production intermittente est importante. On illustre ainsi comment, grâce à la mise en œuvre de nos indicateurs, il est désormais possible de discuter les conditions dans lesquelles la fiabilité continuerait à être assurée et à quel niveau, ce qui permet d'arbitrer entre l'ambition de décarbonation du mix électrique et la qualité de fourniture attendue.

Les défis auxquels les systèmes électriques font face actuellement (intégration massive des énergies renouvelables, développement de la production distribuée, réduction des émissions CO2, etc.) donnent lieu à une intuition partagée sur la croissance des besoins en stockage d’électricité. Néanmoins, les investissements en stockage engagés par des acteurs individuels restent à ce jour très faibles, sauf pour la technologie de stockage par pompage-turbinage. Ceci s’explique potentiellement par le fait que l’usage du stockage par un seul acteur ne permet que rarement de recouvrir le coût d’investissement du stockage. En tant qu’actif multifonctionnel, le stockage est capable de fournir de nombreux services à différents acteurs. La façon dont le stockage est utilisé devrait être adaptée afin de permettre une mutualisation du coût d’investissement et des bénéfices parmi différents acteurs dans le paysage dérégulé des systèmes électriques en Europe.La thèse a permis d’étudier les mécanismes efficaces permettant 1) aux acteurs régulés et dérégulés de partager l’utilisation d’une unité du stockage, et 2) à une coordination efficace des utilisations décentralisées du stockage. A cet effet, nous proposons un design de marché qui permet d’agréger les valeurs du stockage en deux dimensions.Premièrement, des valeurs peuvent être agrégées sur plusieurs horizons temporels. Les acteurs peuvent avoir intérêt à décider l’utilisation du stockage à différents moments avant la livraison en temps réel. L’agrégation verticale est obtenue par la superposition des profils d’utilisation décidés à différents horizons temporels. Deuxièmement, les valeurs peuvent être agrégées parmi différents acteurs. Ceci consiste à coupler le stockage avec des marchés organisés de l’électricité. A un horizon donné, l’opérateur du stockage communique ses capacités disponibles à l’opérateur du marché, qui vaviincorporer ces capacités dans le processus de clearing de marché afin de maximiser le bien-être social.La thèse démontre qu’il est possible de faire partager une unité du stockage par des acteurs régulés et dérégulés d’une manière systématique. Des simulations montrent que l’agrégation des valeurs du stockage, de la façon proposé dans la thèse, peut conduire à une augmentation évidente de la rentabilité du stockage. Elles montrent aussi qu’après la clôture de toutes les activités commerciales à un horizon donné, il reste systématiquement des capacités du stockage non-utilisées, qui sont difficilement valorisables par les acteurs dérégulés, mais pourraient être servies par les acteurs régulés. Le mécanisme d’agrégation permet de capturer la valeur de ces capacités, tout en respectant le principe d’ « unbundling » du secteur électrique européen. / The challenges faced by the power systems nowadays (massive integration of intermittent energy sources, development of distributed generation, reduction of CO2 emissions, etc.) give rise to a widespread notion on the growing needs for electric energy storage (EES). In spite of this, little investment on EES, however, has been carried out by individual actors. An exception concerns pumped hydro storage technology, but the development of this technology is highly constrained by the existence of suitable sites in Europe. The lack of investments in EES, despite its general usefulness, is potentially due to the fact that the usage of storage by one individual actor generally could not allow him to recover the high investment costs involved. As a multi-functional asset, EES can provide numerous benefits to different actors. A potential means to promote EES may involve socialising the investment cost and benefits of EES among different actors in the deregulated power systems in Europe.This thesis studies how to create efficient mechanisms to allow 1) all the actors, both regulated and deregulated, to share the use of an EES unit, and 2) an effective coordination on the decentralized usages of storage by different actors. To this aim, we propose a market design that enables the aggregation of the values of EES along two dimensions, namely vertical and horizontal aggregation.Firstly, the values can be aggregated vertically upon several time horizons. Actors may have different needs for EES at different time horizons. The vertical aggregation is achieved by superposing utilisation profiles of EES decided at different moments in time. The compatibility of the different utilisation profiles is ensured by a coordination mechanism. Secondly, the values can also be aggregated horizontally among a large number of actors. The horizontal aggregation consists in coupling EES to the electricityivmarkets. At a given time horizon, the storage operator communicates the available capacities of EES to the market operator, who will incorporate these capacities in the market clearing process to maximise the social welfare.The thesis proves that it is possible for different actors, both regulated and deregulated, to share the use of storage in a systematic way. The simulation results show that the aggregation of values of EES, in the way proposed by the thesis, can lead to higher return on investment. The simulation also show that, after the closure of all commercial activities (at certain time horizon), there are systematically residual capacities of EES which are difficult to be valued by deregulated actors, but can be used by regulated actors. The value of these capacities can be effectively captured in the proposed aggregation mechanism, while respecting the unbundling principle of the European electricity sector.

Le système électrique européen peut être décrit par le concept de système intégré, c'est à dire un réseau interconnecté dont l'organisation est découpée par diverses frontières administratives de nature légale, technique ou marchande. Dans ce contexte, l'amélioration de la coordination de l'opération sur ces frontières internes, pour un ensemble donné d'infrastructures, doit permettre une utilisation plus optimale des ressources disponibles.L'analyse économique de ces coordinations transfrontalières et du processus d'amélioration en cours en Europe en 2012 permet d'une part de tirer les enseignements de cette expérience et d'autre part de soutenir le processus d'amélioration en contribuant à la compréhension des enjeux par les acteurs. Pour cela, l'étude propose tout d'abord une synthèse sur la gestion du système électrique qui définit l'objet d'étude. Puis, le deuxième chapitre détaille une analyse fonctionnelle des mécanismes de coordination. Cette analyse permet de faire le lien avec des aspects techniques qui conditionnent l'organisation économique. Le troisième chapitre porte sur les méthodes d'évaluation des bénéfices, des coûts et des effets redistributifs d'une évolution de la coordination. Les chapitres quatre et cinq abordent ensuite deux angles institutionnels clés. Le premier est le rôle de l'Union Européenne dans l'établissement de règles communes à l'échelle du continent. Le second est la forme institutionnelle de l'engagement des Gestionnaires de Réseau de Transport (GRT) pour le succès de ces mécanismes de coordinations. / The electricity high voltage transmission networks are interconnected over most of the continents but this is not the case of the power system organizations. Indeed, as described with the concept of integrated power system, the organization over these large networks is divided by several kinds of internal borders. In this context, the research object, the cross-border coordination of operation, is a set of coordination arrangements over internal borders between differing regulatory, technical and market designs. These arrangements can include for instance the famous market couplings, some cost-sharing agreements or common security assessments among several other solutions. The existence and improvement of the cross-border coordination of operation can be beneficial to the whole integrated power system. This statement is verified in the European case as in 2012 where several regional and continental coordination arrangements are successfully implemented.In order to benefit from the European experience and contribute to support the European improvement process, this thesis investigates the cross-border coordination of operation in the European case with four angles of study. First, a modular framework is built to describe the existing solutions and the implementation choices from a regulatory point of view. Second, the thesis analyses the tools available to assess the impact of an evolution of the cross-border coordination. Third, the role of the European Union (EU) is described as critical both for the existing arrangements and to support the improvement process. The last angle of study focuses on two dimensions of the economic modes of coordination between transmission system operators.

Suite aux réformes des marchés électriques, la question du market design, c’est-à-dire l’étude des nouveaux marchés destinés à remplacer l’ancien monopole, est devenue centrale dans la littérature économique. Toutefois, les caractéristiques techniques de l’électricité rendent cette tâche complexe et l’intervention des pouvoirs publics est souvent nécessaire pour établir les règles du jeu efficaces que les acteurs de marché devront suivre. Cela explique pourquoi le market design demeure un sujet d’actualité. Cette thèse contribue aux discussions actuelles en étudiant plusieurs architectures de marché à mettre en place afin d’assurer la fiabilité du système électrique de la façon la plus efficace.La fiabilité est d’abord étudiée sous sa dimension de court terme, appelée sûreté. Pour garantir un équilibre en temps réel, l’opérateur du système doit s’assurer de disposer d’un niveau suffisant de réserves: c’est l’objectif du modèle de sûreté. Dans cette thèse, les impacts économiques induits par un changement de modèle de sureté pour le système électrique français sont évalués. Une modélisation de type Agent-Based est développée pour simuler les décisions des acteurs sur plusieurs marchés de court terme. Les résultats montrent que le modèle de sureté français actuel conduit à des coûts inférieurs à ceux du modèle alternatif mis en œuvre dans d’autres pays européens. Le maintien du modèle actuel en France apparait donc justifié.La dimension long terme de la fiabilité, à savoir l’adéquation, est ensuite étudiée. Les performances économiques d’un marché de capacité et d’un mécanisme de réserve stratégique, deux solutions conçues pour résoudre le problème d’adéquation, sont comparées. Afin de considérer la nature cyclique des investissements, ces mécanismes sont étudiés d’un point de vue dynamique par l’intermédiaire d’une modélisation de type System Dynamics. Celle-ci simule les décisions d'investissements et de fermetures prises par les acteurs de marché, en considérant leurs comportements imparfaits. Les principaux résultats montrent que le marché de capacité résout la question de l'adéquation à un coût moindre. / Following power market reforms, market design, i.e. the study of new markets to replace efficiently the previous monopoly, becomes central in the economic literature. However, due to several technical characteristics of electricity, this task is complex. A third party is then required to help design these markets in an efficient way and to set the rules under which private decentralized market players will interact. This complexity explains why market design remains a work in progress. This thesis contributes to the current discussions by giving insights on the most efficient market designs to implement to ensure the reliability of power systems.A first focus is made on the short-term dimension of reliability, i.e. the security of power systems. To maintain a balanced system, the system operator has to ensure the availability of a sufficient level of reserves in real time: this is the aim of the security model. In this thesis, a quantitative assessment of the economic impacts that a transition to a different security model would have for the French power system is carried out. An agent-based modelling is developed to simulate the decisions of profit-maximizing players on several short-term markets. Simulations show that the current French security model results in lower costs than the alternative one implemented in several European countries, and should therefore be maintained for the French power system.A second focus is made on the long-term dimension of reliability, i.e. the adequacy. The economic performances of a capacity market and a strategic reserve mechanism, two mechanisms designed to solve the adequacy issue, are compared. In order to capture the cyclical nature of investments, these mechanisms are studied from a dynamic point of view. To this end, a long-term model is developed based on a System Dynamics approach. It simulates the investment and shutdown decisions made by market players considering their imperfect behaviours. Main results show that the capacity market solves the adequacy issue at a lower cost than the strategic reserve mechanism.