L'évolution du stockage d'énergie permet de développer des méthodes innovantes de gestion de l'énergie à une échelle locale. Les micro réseaux électriques sont une forme émergente de petits réseaux électriques munis de production locale, de stockage d'énergie et en particulier d'un système de gestion de l'énergie (EMS pour Energy Management System). De nombreuses études et recherches scientifiques ont été menées pour proposer diverses stratégies d'implémentation de ces EMS. Néanmoins il n'existe pas à ce jour d'articulation claire et formelle de ces méthodes permettant leur comparaison. L'une des principales difficultés pour les EMS, est la gestion des dynamiques des différents systèmes énergétiques. Les variations de courant vont à la vitesse de l'électron, la production d'énergie solaire photovoltaïque varie au gré des nuages et différentes technologies de stockages peuvent réagir plus ou moins vites à ces phénomènes imprévisibles. Nous étudions dans ce manuscrit, un formalisme mathématique et des algorithmes basés sur la théorie de l'optimisation stochastique multi-étapes et la Programmation Dynamique. Ce formalisme permet de modéliser et de résoudre des problèmes de décisions inter-temporelles en présence d'incertitudes, à l'aide de méthodes de décomposition temporelle que nous appliquons à des problèmes de gestion de l'énergie. Dans la première partie de cette thèse, "Contributions à la décomposition temporelle en optimisation stochastique multi-étapes", nous présentons le formalisme général que nous utilisons pour décomposer en temps les problèmes d'optimisation stochastique avec un grand nombre de pas de temps. Nous classifions ensuite différentes méthodes de contrôle optimal au sein de ce formalisme. Dans la seconde partie, "Optimisation stochastique de stockage d'énergie pour la gestion des micro réseaux", nous comparons différentes méthodes, introduites dans la première partie, sur des cas réels. Dans un premier temps, nous contrôlons une batterie ainsi que des ventilations dans une station de métro récupérant de l'énergie de freinage des trains, en comparant quatre algorithmes différents. Dans un second temps, nous montrons comment ces algorithmes pourraient être implémentés sur un système réel à l'aide d'une architecture de contrôle hiérarchique de micro réseaux électrique en courant continu. Le micro réseaux étudié connecte cette fois ci de l'énergie photovoltaïque à une batterie, une super-capacité et à une charge électrique. Enfin nous appliquons le formalisme de décomposition par blocs temporels présenté dans la première partie pour traiter un problème de gestion de charge de batterie mais aussi de son vieillissement long terme. Ce dernier chapitre introduit 2 algorithmes basés sur la décomposition par blocs temporels qui pourraient être utilisés pour le contrôle hiérarchique de micro réseaux ou les problèmes d'optimisation stochastique présentant un grand nombre de pas de temps. Dans la troisième et dernière partie, "Logiciels et expériences", nous présentons DynOpt.jl un paquet développé en langage Julia qui a permis de développer toutes les applications de cette thèse et bien d'autres. Nous étudions enfin l'utilisation de ce paquet dans un cas de pilotage réel de système énergétique : la gestion intelligente de la température dans une maison de l'équipement Sense City / The development of energy storage paves the way to innovative methods to manage energy at a local scale. Micro grids are a novel kind of electrical grids with local production (renewable and waste energy), local demand, local storage and an Energy Management System (EMS). A wide literature already studies EMS implementations in micro grids but the produced methods are not exhaustively framed and compared. One of the main difficulty in micro grids energy management is to handle the different dynamics of electrical devices. Current variations are lighting fast, solar power changes quickly, different kind of storage react at different paces and batteries ageing is a slow process. We studya mathematical framework and algorithms, based on multistage stochastic optimization theory and Dynamic Programming, to model and solve energy management problems in micro grids with time decomposition methods. In the first part of this thesis, Contributions to time decomposition in multistage stochastic optimization, we present a general framework to decompose temporally large scale stochastic optimization problems into smaller subproblems. We then classify multiple existing resolution methods inside this framework. In the second part, Stochastic optimization of energy storage for management of micro grids, we compare different methods presented in the first part on realistic applications. First we control a battery and a ventilation in a subway station recovering subways braking energy with four different algorithms. Then we present how these results could be implemented on a real micro grid. We implement a fast online control method to stabilize the voltage in a simulated islanded DC micro grid connecting solar panels, an electrical load and two sorts of energy storage: a battery and a supercapacitor. Finally we apply our time decomposition framework to a problem of long term aging and energy management of a storage in a micro grid. This last chapter introduces a framework to model time decomposition of micro grids hierarchical control architectures, as well as two algorithms to solve temporally large scale stochastic optimization problems.In the third part, Softwares and experimentations, we present DynOpt.jl, a Julia language package developed to produce all the results of this thesis and more. Then we study an application of this software to the control of a real test bed: the energy aware temperature regulation of a real house in the equipment named "Sense City"

Depuis plusieurs années, le secteur de l’énergie subit des changements importants. La prise de conscience du réchauffement climatique, la volonté d’introduire un mix énergétique permettant de réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais aussi la raréfaction des sources d’énergies fossiles, tendent à favoriser la production d’électricité à partir d’énergies renouvelables. Les « microgrids » ou micro­réseaux électriques sont une de ces opportunités de nouveaux marchés, sur lequel souhaite se positionner fortement Schneider Electric.Les microgrids sont des versions à échelles réduites d’un réseau national, comportant des objectifs particuliers comme la sécurisation de l’énergie, la baisse d’émissions de gaz à effet de serre, etc. Ils sont composés de diverses sources de puissance : renouvelable (PV ; éolien, etc.), générateurs diesel, mais aussi de stockage et de consommateurs. Ils peuvent être connectés à un réseau principale, ou îlotés. Les microgrids îlotés étant intrinsèquement composés de producteurs à base d’énergie renouvelable et donc de convertisseurs statiques, l’inertie naturelle du réseau est très faible, comparée à celle d’un réseau classique composé de machine tournante. Dans ce type de configuration, un appel de charge, une baisse soudaine de production due à l’intermittence de certaines énergies, peut déstabiliser le réseau et créer des réactions en chaîne aboutissant à une perte totale du réseau.Parmi les marchés visés des microgrid, celui des îles, dont le réseau électrique est majoritairement assuré par des groupes électrogènes, présente l’objectif attirant d’améliorer une base existante en ajoutant des sources renouvelables à la production. Ces réseaux font face à de fortes contraintes de communication qui peut être difficile à établir, voir non existante. Ainsi, les commandes conventionnelles d’un microgrid ne permettent pas de répondre à la problématique présentée.Les travaux se résument en quatre étapes principales, dans un premier temps, différents modèles de simulations des sous-systèmes seront définis pour répondre à la problématique.Ces modèles serviront ensuite à la définition des lois de contrôle-commande d’un microgrid décentralisé à communication limité, et permettront, entre autres, de comparer les performances d’un tel contrôle avec un contrôle centralisé classique.La troisième étape de la thèse présentera la certification probabiliste des algorithmes décentralisés, afin d’assurer les performances souhaitées.Enfin, les travaux se termineront par des résultats de simulation et une phase d’expérimentation réelle, avec la mise en place d’un microgrid d’une puissance totale de 100kW, pour valider le fonctionnement des algorithmes. / Since many years, the energy sector is undergoing significant changes. Awareness of global warming, the objective to use reduce greenhouse gas but also the scarcity of fossil energy, encourage the world to promote the use of more and more renewable energies. Electric microgrid are one of the opportunities new market on which Schneider Electric wants to launch.Microgrid are a scaled-down version of a national grid with specific objectives such as energy security, lower greenhouse gas emissions and so on. They are composed of several renewable sources (photovoltaic, wind for example), generators set, but also storage and consumers. They can be connected to a main grid or islanded. Since islanded microgrid are intrinsically composed of renewable producers with static converters, the natural grid inertia is particularly low compared to that of a classic grid with rotating machine. With this consideration, a load impact or a sudden drop of production due to renewable intermittency can destabilize the network and create chain reactions leading to a total grid blackout.Among the microgrids target markets, island whose electricity production is mostly provided by generators set presents the objective of improving an existing grid by adding renewable sources to production. These grid face strong communication constraints which can be difficult to establish, unreliable or non-existent. Thus, conventional microgrid commands do not allow to answer the presented problem.Objective of this thesis is to design the control algorithms of islanded microgrid without communication to ensure both frequency stability and to maximize renewable energy use.The presented work can be summarized in four main stages. First, several simulation models of microgrid subsystem will be defined for islanded microgrid analysis.These models will then be used to define control laws of a decentralized microgrid without communication. They will be used, inter alia, to compare performances of this decentralized control with a conventional centralized control.The third stage of the thesis will present the probabilistic certification of the decentralized algorithms in order to guarantee the desired performance.Finally, the work will end with simulation results and a real experimentation phase with the test on a 100 kVA microgrid to validate operation of algorithms.

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Les réseaux électriques industriels sont des micro-réseaux se trouvant au prolongement du réseau de distribution auquel ils se raccordent via un ou plusieurs transformateurs. Aujourd’hui dans ces micro-réseaux, on assiste à une croissance de l’utilisation de l’électronique de puissance pour les alimentations à découpage, les moteurs alimentés par des variateurs de vitesse, les ASI en amont des charges sensibles et les compensateurs d’énergie. Néanmoins, si certaines précautions ne sont pas prises, ces éléments risquent d’affecter fortement la stabilité du système particulièrement en mode de fonctionnement îloté où la puissance disponible est limitée. Dans cette thèse, différents facteurs contribuant au départ de l'instabilité sur un micro-réseau sont étudiés et des solutions pour repousser la limite de stabilité sont proposées. D’abord, les études de stabilité petit-signal sont utilisées pour connaître les paramètres affectant le plus la stabilité du système, et les études large-signal sont plutôt utilisées à des fins de quantification des perturbations que peut subir le système sans devenir instable. Ensuite, un stabilisateur indépendant sur le modèle du FACTS et un stabilisateur qui agit directement par les charges du micro-réseau ont été proposés. Plusieurs lois de stabilisation sont étudiées, basées soit sur les retours d'état petit-signal, soit sur des outils large-signal. Enfin, l'emplacement optimal des stabilisateurs sur un micro-réseau a été étudié. Un dernier point concerne le choix de l’intelligence centralisée ou répartie pour la stabilisation / Industrial power grids are micro-grids connected to the distribution grid via transformers. Recently in these micro-grids, there is a growth in the use of power electronic devices for switch mode power supplies, variable speed drives, UPS, critical loads and energy compensators. Nevertheless, if certain precautions are not taken, these devices may significantly affect the system stability especially in islanded operating mode where the available power is limited. In this work, main causes of instability in micro-grids are studied and solutions to improve the stability margins are proposed. First, small-signal stability analysis tools are applied to identify most sensitive components of the system. Then, large-signal tools are used to estimate the domain of attraction of the stable operating point leading to quantify allowable disturbances. Afterward, a dedicated stabilizer similar to FACTS and another stabilizer taking action directly on loads are proposed. Several stabilization laws are studied, based on either small-signal design tools, or on large-signal tools. Finally, the optimal placement of distributed stabilizers in a micro-grid was studied. A final point concerns the choice of centralized or decentralized computers for stabilization.

L’utilisation d'énergie en milieu urbain est essentielle pour le bon fonctionnement de notre société, en particulier pour les besoins de chauffage qui est un élément central de notre système énergétique souvent considéré comme allant de soi. Dans ce cadre, les systèmes énergétiques urbains et en particulier les réseaux de chaleur urbains ont besoin d’évoluer pour s'adapter à la transition à venir vers un système énergétique durable. Ce travail de recherche a pour objectif de présenter, de discuter et d’évaluer, du point de vue technico-économique, le concept de micro-réseaux de chaleur urbains basse température comme réseaux secondaires de distribution de chaleur actifs. Dans cette thèse, une approche méthodologique mixte basée sur la simulation analytique pour l'évaluation des alternatives est développée et discutée pour étudier une combinaison de technologies associées aux sous-stations basse température. Les principaux résultats de ce travail couvrent : le développement d’un modèle amélioré de charges thermiques agrégées ; la comparaison des performances des réseaux basse température ; l’analyse des avantages et des inconvénients des sous-stations actives couplées à des sources de chaleur ou du stockage distribuées ; et les effets d’une température de retour du réseau primaire plus basse. Les conclusions révèlent que la conception et le fonctionnement intégrés du micro-réseau de chaleur urbain actif ont le potentiel d'améliorer les performances de l'ensemble du système, afin de relever ses défis d'une manière efficace et rentable. Ce travail fait progresser les connaissances actuelles sur le chauffage urbain en identifiant les synergies et les enjeux associés, en vue de que ces technologies jouent un rôle clé dans le futur système énergétique intelligent et durable. / Energy use in the urban environment is vital for the proper functioning of our society, and in particular, comfort heating –and cooling– is a central element of our energy system that is often taken for granted. Within this context, district energy systems and especially, district heating (DH) systems must evolve to adapt to the upcoming decades-long transition towards a sustainable energy system. This dissertation seeks to introduce, discuss, and asses from a techno-economic perspective, the concept of low-temperature based thermal micro-grids (subnets) as active distribution thermal networks. For this purpose, a mixed methodological approach based on analytical simulation for the assessment of alternatives is developed and discussed to evaluate a set of technologies. Key findings of this research include: an updated and improved model of aggregated heat loads; the identification of differences in load and temperature patterns for certain LT subnets; the analysis of benefits and drawbacks of active substations with distributed heat sources and/or storage; and the impact of the reduction of the primary network return temperature, which leads to lower generation & operating costs. These outcomes reveal that the integrated design and operation of the active thermal micro-grid have the potential to improve the performance of the entire system, to address the matter of providing comfort heating in an effective and cost-efficient manner. This work advances the current DH knowledge by identifying synergies and challenges that arise with these new developments, in order for DH to play a key role in the future smart and sustainable energy system.

La demande énergétique mondiale continue d’augmenter. Les prix des énergies fossiles sont instables et incertains. La libéralisation du marché électrique et une conscience environnementale des acteurs mondiaux sont des leviers au développement des énergies renouvelables. Ces dernières se développent à un rythme rapide dans le monde. Elles ont atteint une maturité technique qui leur permet de devenir un segment important de l’industrie de l’énergie. Leur insertion dans le mix énergétique pose de nouveaux défis par rapport aux sources d'énergie traditionnelles. Avec un potentiel abondant encore sous-exploité, le photovoltaïque et l'énergie éolienne sont avantageux sur le plan économique et environnemental. Cependant, leur caractère intermittent diminue leur efficacité énergétique lorsqu’elles sont exploitées individuellement. L'utilisation de systèmes hybrides (multi-sources) combinant ces sources d'énergie renouvelables, le réseau de distribution national (réseau électrique historique) et les systèmes de stockage classiques, est généralement considérée par tous comme solution d’avenir, à la fois efficiente et fiable. Il est alors nécessaire de repenser la structure des réseaux électriques et des marchés de l’énergie, ainsi que des changements dans les méthodes de gestion de réseau. Dans ce contexte, l’apport envisagé avec ce travail de thèse est de contribuer à la modélisation et l’optimisation de systèmes multi-sources multi-charges pour alimenter aussi bien des sites isolés « énergie de proximité » (campus, village) que des sites étendus tels que des régions françaises à travers leur interconnexion « pooling ». Différents scenarii de gestion et différentes configurations des systèmes sont modélisés, testés et comparés pour analyser l’efficacité et la robustesse de chaque cas de figure. Une analyse technico-économique complète est réalisée, dans le but d’étudier la faisabilité de chaque système. Pour démontrer la validation de ces modèles, des études ont été réalisées sur un campus Universitaire Français, un micro-réseau au Mali et trois régions Françaises. Ces dernières ont fait l’objet d’application à un modèle original d’interconnexion basé sur les réseaux de Pétri pour l’aide à la décision en termes de configurations du réseau et le contrôle des flux d’énergie échangés entre des territoires producteurs-consommateurs interconnectés sans système de stockage / Global energy demand continues to rise. The fossil fuel prices are unstable and uncertain. The liberalization of the electricity market and environmental awareness of the global leaders are levers for the development of renewable energy. These are growing at a rapid pace in the world. They reached technical maturity that enables them to become an important segment of the energy industry. Their integration in the energy mix poses new challenges compared to traditional energy sources. With an underexploited potential, photovoltaic and wind energy are advantageous economically and environmentally. However, their intermittent decreases their energy efficiency when operated. The use of hybrid systems (multi-sources) combining these renewable energy sources, the national distribution network (historical grid) and conventional storage systems, is generally regarded by all as a future solution, both efficient and reliable. Thereby, it is necessary to rethink the structure of electrical networks and energy markets, and changes in network management methods. In this context, the foreseen intake with this thesis is to contribute to the modeling and optimization of multi- load multi- source systems to power both remote sites “closeness energy” (campus, village) and large sites such as French regions through their interconnection "pooling ". Different scenarios of management and different configurations of the systems are modeled, tested and compared to analyze the effectiveness and robustness of each case. A complete technical and economic analysis is performed in order to study the feasibility of each system. To demonstrate the validation of these models, studies were performed on a French university campus, a Micro-grid in Mali and three French regions. These latter have been applied to an original interconnection model based on Petri nets for decision support in terms of network configuration and control of energy flows exchanged between interconnected producers/consumers territories without storage