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.

Les systèmes composés d’une somme de sous-systèmes interconnectés offrent les avantages majeurs de flexibilité d’organisation et de redondance synonyme de fiabilité accrue. Une des plus belles réalisations basée sur ce concept réside dans les réseaux électriques qui sont reconnus à ce jour comme la plus grande et la plus complexe des structures existantes jamais développées par l’homme.Les phénomènes de plus en plus non linéaires rencontrés dans l’étude des nouveaux réseaux électriques amènent au développement de nouveaux outils permettant l’étude des interactions entre les différents éléments qui les composent. Parmi les outils d’analyse existants, ce mémoire présente le développement et l’application de la théorie des Formes Normales à l’étude des interactions présentes dans un réseau électrique. Les objectifs spécifiques de cette thèse concernent le développement de la méthode des Formes Normales jusqu’à l’ordre 3, l’application de cette méthode à l’étude des oscillations présentes dans des réseaux tests et l’apport de la méthode développée dans l’étude de la stabilité des réseaux. / Systems composed with a sum of interconnected sub-systems offer the advantages of a better flexibility and redundancy for an increased reliability. One of the largest and biggest system based on this concept ever devised by man is the interconnected power system.Phenomena encountered in the newest interconnected power systems are more and more nonlinear and the development of new tools for their study is od major concern. Among the existing tools, this PhD work presents the development and the application of the Normal Form theory to the study of the interactions existing on an interconnected power system. The specific objectives of this PhD work are the development of the Normal Form theory up to the third order, the application of this method to study power system interarea oscillations and the gain of the developed method for the study of stability of power systems.

L'introduction des nouveaux moyens de transformation de l'énergie primaire et des nouvelles sources d'énergie renouvelables dans les réseaux de distribution entraîne l'apparition de phénomènes nouveaux qu'il est nécessaire d'étudier en détail. Le recours à la modélisation de ces nouvelles sources est nécessaire afin de permettre la simulation de leur fonctionnement. Les modélisations simplifiées utilisées dans les logiciels grands réseaux sont d'abord présentées à la lumière de l'outil Graphe Informationnel de Causalité. Cette démarche de simplification de modèles est poursuivie pour les nouveaux dispositifs de production à connexion électronique au réseau électrique. Une approche générique de modélisation et de commande des sources distribuées de production d'énergie électrique est ensuite proposée. Nous proposons une classification des sources de production décentralisées connectées aux réseaux BT en sources ynamiques caractérisées par une cinématique de transmission dans la génération de puissance et sources statiques caractérisées par l'absence de mouvement mécanique dans la génération de puissance. Dans un cas comme dans l'autre, nous présentons une approche générale de modélisation de ces sources basées sur des considérations d'échanges énergétiques afin d'en déduire les principes fondamentaux de commande. Cette approche est ensuite illustrée sur l'exemple d'une microturbine à gaz, des systèmes à piles à combustible ainsi que des systèmes photovoltaïques. Dans la partie finale de cette thèse, nous proposons deux exemples d'application d'étude de dynamique de réseaux. Le premier traite de la problématique de la régulation de la tension au point de connexion d'une source de production décentralisée. Les principaux moyens de réglage de la tension utilisés dans les réseaux de distribution sont répertoriés. On s'intéresse au réglage de la tension par le contrôle de la puissance réactive d'abord, puis, lorsque c'est nécessaire, par la limitation de la puissance active des sources de production décentralisée. Un algorithme optimisé de réglage de la tension pour les systèmes de production décentralisée est élaboré et testé en simulation. Le deuxième exemple d'application porte sur l'étude d'une source de production décentralisée (une micro turbine) connectée au réseau de distribution Basse Tension. Cette simulation est implantée sur un simulateur temps réel (Hypersim) de réseau sur lequel la source est connectée ce qui permet le test en temps réel sur de loi de commande externe au simulateur. Une étude du comportement en cas de court-circuit est proposée.

Cette thèse étudie les problèmes liés à l'association des principaux composants des réseaux électriques.La nature inductive des éléments à connecter pose des problèmes lors de leur association dans un nœud de connexion commun. Deux solutions sont proposées pour résoudre ce problème et rendre ainsi possible la simulation. Une première solution accepte la présence de causalités dérivées, la deuxième consiste à simplifier les modèles en supprimant localement les régimes dynamiques pour faciliter leur association.La mise en évidence graphique de la causalité dans le modèle global d'un micro réseau à structure variable montre que différentes configurations sont possibles, avec pour chacune un comportement et un fonctionnement différents pour les composants. L'outil bond graph a été choisi pour la modélisation des différents éléments, l'analyse des propriétés des modèles et la conception de lois de commande par modèle inverse à l'aide de la bicausalité. La robustesse de la commande pour le convertisseur d'électronique de puissance est analysée d'une manière classique pour tester ses performances par rapport aux incertitudes paramétriques, en faisant varier la charge connectée au convertisseur. La commande est validée par simulation et de manière expérimentale.

Cette thèse présent quelques nouveaux algorithmes de localisation de défaut pour des lignes de transport d'énergie. Ces algorithmes sont basés sur un modèle de ligne avec des paramètres distribués, qui explique en soi la capacité de shunt et la nature distribuée des pertes de ligne. Dans quelques parties de cette thèse, la dépendance des paramètres de la ligne de la fréquence est prise en compte et un nouvel algorithme de localisation de défaut est proposé selon un tel modèle de ligne. Récemment, quelques efforts de recherches ont été concentrés sur des techniques de localisation de défaut dans les lignes de transmission compensées série. Dans cette thèse on propose deux nouveaux et précis algorithmes de localisation de défaut pour de tels systèmes. L'algorithme se sert de deux routines pour l'évaluation de la distance de défaut, 1' un pour le défaut en aval du condensateur série et l'autre pour le défaut en amont du condensateur série. Puis un procédé spécial pour choisir la solution correcte est utilisé. Des échantillons de tensions et de courants aux deux extrémités de la ligne sont pris synchroniquement et employés pour calculer le point du défaut. L'exactitude des algorithmes proposés n'est pas sensiblement affectée par résistance de défaut et angle de commencement de défaut et n'exige aucune connaissance des impédances de source. Dans la dernière partie de cette thèse nous présentons un nouvel algorithme de localisation de défaut utilisant la logique floue de type de Takagi-Sugeno pour fournir une bonne estimation du point de défaut. Les résultats de simulation confirment que l'approche logique floue peut être utilisée comme une alternative efficace pour la localisation précise du défaut dans les lignes de transmission.

Aujourd'hui, les grands réseaux électriques fonctionnent de plus en plus près de leur limite de stabilité. Les moyens de contrôle classique des réseaux permettent d'assurer leur stabilité dans des conditions de fonctionnement normales. Cependant, compte tenu de la variété des conditions et des schémas d'exploitation, de la sévérité des incidents, les équipements de commande actuellement installés surles réseaux peuvent s'avérer trop limités et insuffisants pour répondre efficacement aux diverses perturbations. L'objectif général de cette thèse est l'étude et la comparaison de méthodologies de synthèse de contrôleurs décentralisés non linéaires qui puissent améliorer la stabilité transitoire des réseaux électriques. La notion de contrôleur décentralisé signifie ici que les grandeurs nécessaires pour élaborer la commande sont disponibles localement, c'est-à-dire à proximité du turbo-générateur à contrôler.Dans une première étape, nous nous sommes fixés l'objectif de développer une méthodologie de commande non-linéaire qui puisse améliorer les amortissements des oscillations transitoires provenant des courts-circuits triphasés se présentant sur la ligne de transmission, dans le contexte d'un système SMIB (une seule machine connectée à un n\oe ud infini). Dans une deuxième étape, nous nous sommes donnés l'objectif de généraliser cette méthodologie de commande non linéaire à un réseau multi-machines interconnecté. Nous nous sommes aussi fixés comme objectif dans ce cadre de tester la démarche proposée pour contrôler l'amortissement des oscillations basse fréquence (0.1-10 (dollar) HZ (dollard) locales et inter-zones.

Ces travaux de recherche constituent une contribution à l'étude des interactions entre le réseau électrique et le véhicule électrique (VE) en mode de recharge (Vehicle-to-Grid V2G). La recharge des VEs engendrant des surconsommations variant entre deux et plusieurs dizaines de kilowatts, occasionne des perturbations sur la qualité de l'énergie du réseau auquel ils sont connectés ; la gestion de l'énergie délivrée au VE est donc une priorité pour les différents acteurs industriels qui ont établi les infrastructures de recharge. Dans cette thèse nous proposons d'étudier l'impact des nombreux VEs en mode de recharge sur le déséquilibre en courant et en tension du réseau de distribution basse tension ainsi que sur les stratégies de recharge à mettre en œuvre pour améliorer la qualité de l'énergie, et notamment minimiser les taux de déséquilibre. Nous commençons par définir le besoin de réduire le déséquilibre en courant et en tension dans le réseau résidentiel de basse tension. Ensuite, nous étudions l'impact du taux d'insertion des VEs sur ces déséquilibres en estimant la sensibilité des paramètres statistiques les décrivant. Enfin, nous proposons des stratégies de gestion de la recharge et de la décharge cherchant à minimiser les déséquilibres occasionnés tout en respectant les contraintes de confort, c'est-à-dire de la recharge du VE avant le départ et les limites structurelles du système. / The study of the Vehicle to Grid (V2G) interactions is the main contribution of this research work. To charge an electric vehicle (EV) battery the overloading in low voltage (LV) residential networks is expected to be between 2 kW and maximum 10kW. To avoid power quality deterioration a battery recharge management is a priority for the charging infrastructure business. Our work has been, first, to study the impact of a significant number of EVs in recharge mode on the voltage and current unbalances in a LV residential electric network scenario and second to develop charging strategies to minimize those unbalances.First, we defined why it is important for the LV residential network to minimize the unbalances both in current and in voltage. Then, we studied the impact of different market penetration rates of the EV on the unbalances by estimating the sensibility of the statistical parameters describing them. Finally we developed several charging/discharging strategies in order to minimize the current unbalance by using optimization algorithms in the continuous and discrete domains. Several constraints were formulated in order to preserve power limits and an enough state of charge for the mobility.

Le bâtiment quel qu'il soit (industrie, tertiaire, domestique), s'électrifie toujours plus pour répondre entre autre au besoin de l'efficacité énergétique. Ainsi de nombreux équipements, en particulier d'électronique de puissance ou encore d'actionneurs sont présents et produisent des perturbations électromagnétiques tant conduites que rayonnées véhiculées ou propagées par les câblages électriques et dispositifs de protection, dimensionnés pour 50Hz et non les hautes fréquences. Ceci est à l’origine de la problématique CEM dans le bâtiment. La méthodologie de modélisation proposée consiste à chercher un schéma équivalent pour chaque constituant ou composant d’une installation. L’accès aux paramètres localisés de chacun est un des points fort de la méthode, tout en permettant l’association avec d’autres composants (couplages). Les modèles ainsi générés sont implantés automatiquement dans un logiciel circuit, en l’occurrence Spice, permettant la résolution et l’association d’autres équipements électriques complexes. La modélisation des différents composants, principalement le circuit de mise à la terre, permet la simulation et l’analyse de plusieurs configurations qui devraient nous permettre de dicter des règles de conception pour rendre plus robuste le bâtiment moderne fortement électrifié. / In order to answer the need for energy efficiency, building, whatever it is (industrial, commercial, domestic), still electrifies more and more. Hence many equipment, in particular power electronic or actuators are introduced and produce conducted and radiated electromagnetic disturbances. They propagate via cabling and protection devices which have been sized for 50Hz and not for high frequencies generated by the equipment. This constitutes the EMC problematic for building.The proposed modeling methodology is to evaluate an electrical equivalent circuit for each installation’s component. Access to lumped parameters of each component is one of the highlights of this method, allowing the other components association (couplings). The generated models are implemented in a circuit software such as Spice, enabling the resolution and the association of other electrical components.The modeling of the components, mainly the grounding circuit, allows the simulation of different configurations. The analysis of several configurations should help the elaboration of design rules to make today buildings more efficient.

L'objectif de cette thèse est la gestion et le dimensionnement optimaux d'un Système de Stockage d'Énergie (SSE) couplé à une production d'électricité issue d'Énergies Renouvelables Intermittentes (EnRI). Dans un premier temps, un modèle technico-économique du système SSE-EnRI est développé, associé à trois scénarios types d'injection de puissance au réseau électrique : lissage horaire basé sur la prévision J-1 (S1), puissance garantie (S2) et combiné (S3). Ce modèle est traduit sous la forme d'un programme d'optimisation non linéaire de grande taille. Dans un deuxième temps, les stratégies heuristiques élaborées conduisent à une gestion optimisée - selon les critères de fiabilité, de productivité, d'efficacité et de profitabilité du système - de la production d'énergie avec stockage, appelée “charge adaptative” (CA). Comparée à un modèle linéaire mixte en nombres entiers (MILP), cette gestion optimisée, applicable en conditions opérationnelles, conduit rapidement à des résultats proches de l'optimum. Enfin, la charge adaptative est utilisée dans le dimensionnement optimisé du SSE - pour chacune des trois sources : éolien, houle, solaire (PV). La capacité minimale permettant de respecter le scénario avec un taux de défaillance et des tarifs de revente de l'énergie viables ainsi que les énergies conformes, perdues, manquantes correspondantes sont déterminées. Une analyse de sensibilité est menée montrant l'importance des rendements, de la qualité de prévision ainsi que la forte influence de l'hybridation des sources sur le dimensionnement technico-économique du SSE. / This thesis aims at presenting an optimal management and sizing of an Energy Storage System (ESS) paired up with Intermittent Renewable Energy Sources (IReN). Firstly, wedeveloped a technico-economic model of the system which is associated with three typical scenarios of utility grid power supply: hourly smoothing based on a one-day-ahead forecast (S1), guaranteed power supply (S2) and combined scenarios (S3). This model takes the form of a large-scale non-linear optimization program. Secondly, four heuristic strategies are assessed and lead to an optimized management of the power output with storage according to the reliability, productivity, efficiency and profitability criteria. This ESS optimized management is called “Adaptive Storage Operation” (ASO). When compared to a mixed integer linear program (MILP), this optimized operation that is practicable under operational conditions gives rapidly near-optimal results. Finally, we use the ASO in ESS optimal sizing for each renewable energy: wind, wave and solar (PV). We determine the minimal sizing that complies with each scenario, by inferring the failure rate, the viable feed-in tariff of the energy, and the corresponding compliant, lost or missing energies. We also perform sensitivity analysis which highlights the importance of the ESS efficiency and of the forecasting accuracy and the strong influence of the hybridization of renewables on ESS technico-economic sizing.

Ces travaux concernent la modélisation dynamique et la commande des alternateurs couplés dans les réseaux électriques embarqués. Ces réseaux de puissance finie sont des systèmes multi-alternateurs multi-charges en forte interaction. Deux approches de modélisation ont été élaborées. La première, en vue de la simulation, consiste à établir une méthodologie de modélisation des systèmes multi-alternateurs multi-charges. Le système est subdivisé en deux sous systèmes découplés, l'un de nature électrique et l'autre de nature mécanique. L'établissement du modèle d'état électrique global repose d'une part sur l'écriture des constituants du réseau dans un même référentiel, et d'autre part sur l'application des lois reliant les circuits électriques. Afin d'optimiser le temps de calcul, les règles d'établissement du modèle global sont enrichies et une méthode d'inversion de la matrice inductance est proposée. La deuxième, en vue de la commande, explore et compare deux modèles, l'un de type comportemental et l'autre basé sur la théorie des perturbations singulières. Les régulateurs synthétisés ont été comparés sur un simulateur élémentaire. Une ébauche sur l'apport des régulateurs à paramètres variables a été présentée. Deux bancs d'essais ont été réalisés. Le premier est de type logiciel. Il reproduit le comportement temporel du réseau à topologie variable pour divers régimes, ainsi que des phénomènes comme le couplage, le découplage et la désynchronisation. Il permet aussi de tester les algorithmes de commande et les régulateurs : tension, répartition de puissance..... Le deuxième de type expérimental, valide les approches de modélisation, de simulation et de commande proposées.