Simuler temporellement les réseaux électriques modernes requiert d'importants moyens de calcul de par la dimension et la raideur des systèmes différentiels algébriques résultants. De plus, la fréquence d'oscillation de certains signaux simulés contraint fortement le pas d'intégration des schémas classiques, y compris en régime établi où ils sont proches de sinusoïdes oscillant à la fréquence nominale du système. L'objectif de la méthode des prédicteurs sinusoïdaux proposée dans cette thèse est donc de tirer parti de cette propriété afin d'améliorer les performances du solveur tout en contrôlant l'erreur de calcul. Elle consiste à décomposer la solution en deux parties : une sinusoïde, dont les coefficients de Fourier sont fixés pour chaque intervalle d'intégration puis mis à jour par estimation paramétrique, et un terme de correction sur lequel le système d'EDA est reformulé et résolu à l'aide d'un schéma d'intégration à pas adaptatif. Une attention particulière a été portée au choix de l'estimateur paramétrique, ce dernier ayant un impact direct sur le pas d'intégration de par sa précision et indirect de par son effet sur la stabilité globale de la méthode. L'estimateur finalement développé consiste à calculer les coefficients de Fourier qui minimisent une mesure de la stationnarité du système. Ce dernier étant convergent en régime permanent, le terme de correction est progressivement amorti, permettant ainsi d'accroître considérablement le pas d'intégration. Cette méthode, intégrée au sein du solveur SUNDIALS IDA puis interfacée avec un moteur de calcul industriel, permet d'accélérer très nettement les simulations en comparaison avec une implémentation classique / Modern power systems time-domain simulations require important computational resources due to the resulting differential algebraic systems dimension and stiffness. In addition, some simulated signals oscillation frequency dramatically limits the classical schemes step size, even in steady-state during which they are close to sinusoids oscillating at system nominal frequency. That's why the sinusoidal predictors method proposed in this thesis aims at taking this property into account in order to enhance solver performances while controlling the integration error. It consists in decomposing the solution into two parts: a sinusoid, whose Fourier coefficients are fixed for each time integration interval and then updated by parametric estimation, and a correction term on which the DAE system is rewritten and solved using an adaptive step size integration scheme. A particular focus has been given on the estimator choice, given its precision direct impact on the step size and its indirect effect on the global method stability. The finally developed estimator consists in computing Fourier coefficients minimizing a system stationarity measurement. As it converges in steady-state, the correction term is progressively damped, which enables to considerably increase the step size. This method, integrated into the reference solver SUNDIALS IDA and interfaced with an industrial simulation engine, enables to very significantly accelerate simulations in comparison with a classical implementation

L'approvisionnement en énergie et le changement climatique représentent aujourd'hui deux problèmes remarquables qui doivent être surmontés par la société dans un contexte de croissance de la demande d'énergie. La reconnaissance de ces problèmes par l'opinion publique encourage la volonté politique de prendre différentes actions pour les surmonter de façon aussi rapide qu'efficace. Ces actions se basent sur l'augmentation de l'efficacité énergétique, la diminution de la dépendance sur les énergies fossiles et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, les systèmes électriques subissent des changements importants au niveau de leur planification et de leur gestion. D'une part, les structures verticalement intégrées sont en train d'être remplacées par des structures de marché d'électricité donnant naissance à plusieurs acteurs au niveau du fonctionnement des marchés et de la production, distribution et commercialisation d'électricité. D'autre part, les systèmes électriques qui se basaient sur la production d'énergie issue de grandes centrales génératrices voient arriver aujourd'hui la fin de vie de ces grandes centrales. Le rôle de la production répartie d'électricité à partir de technologies telles que l'éolien et le solaire devient de plus en plus important dans ce contexte. Cependant, l'intégration à grande échelle de ces types de ressources réparties pose plusieurs défis liés, par exemple, aux incertitudes associées à la variabilité de la production de ces ressources. Toutefois, des systèmes combinant des outils avancés de prédiction de l'éolien ou du solaire peuvent être combinés avec des éléments contrôlables tels que des moyens de stockage d'énergie, des turbines à gaz ou de la demande électrique contrôlable, peuvent être créés dans le but de réduire les impacts associés à ces incertitudes. Ce travail de thèse traite de la gestion, sous conditions de marché libéralisé d'électricité, de ce type de systèmes qui fonctionnent comme des sociétés indépendantes qui sont ici nommées cellules des systèmes électriques. À partir de la bibliographie existante, une vision unifiée des problèmes de gestion des systèmes électriques est proposée comme un premier pas vers la gestion d'ensembles de cellules des systèmes électriques dans un cadre de gestion multi-cellule. Des méthodologies pour la gestion journalière et optimale de ce type de cellules sont proposées, discutées et évaluées dans un cadre à la fois déterministe et stochastique, ce dernier intégrant dans le processus de gestion les incertitudes liées au problème. Les résultats obtenus montrent que l'utilisation des approches proposées peut conduire à des avantages importants pour les opérateurs chargés de la gestion de cellules des systèmes électriques.

Cette thèse traite des problématiques relatives à la modélisation, l’analyse et la simulation des systèmes électriques interconnectés. Elle a été principalement motivée par le besoin de comprendre et de clarifier les niveaux de modélisation de certains composants électriques comme les lignes de transmission ainsi que leur habilité à reproduire les différents phénomènes qui présentent un intérêt dans le système. En effet, pour faciliter les études et les simulations, les modèles les plus détaillés et les plus complexes sont généralement remplacés par des modèles plus simples selon le type des phénomènes visés. Usuellement, la structure dynamique de l’ensemble du système n’est pas prise en compte dans l’étape de simplification, ce qui fait que, dans la plupart du temps, des validations expérimentales sont nécessaires. C’est pourquoi un cadre structurel et une vision systémique sont proposés dans cette thèse afin d’apporter des solutions plus générales et plus fiables qui s’adaptent mieux à l’approximation des systèmes électriques. Le cadre proposé il nous a permis : d’une part, d’expliquer par le biais de la réduction l’approximation du modèle à paramètres distribués d’une ligne par un modèle plus simple de dimension finie appelé π et d’autre part, d’étendre les investigations à une échelle plus grande où une nouvelle méthodologie de troncature est proposée pour l’approximation des modèles dynamiques de grande taille. Elle se distingue des méthodes standards par l’efficacité d’évaluation des dynamiques du système même dans des situations particulières ainsi que la prise en compte de divers besoins pratiques. Il s’agit d’une approche mixte qui combine, d’une part, le principe de la troncature modale et, d’autre part, l’énergie de la réponse impulsionnelle afin de préserver les structures dynamique et physique du système. A cela s’ajoute également la question du nombre et choix des entrées des systèmes à paramètres distribués qui est posée ici d’un point de vue de l’automatique afin de lui donner plus d’utilité pratique, surtout dans les simulateurs numériques. L’approche utilisée à cet effet est algébrique, et la contribution est une étude assez détaillée de l’état de l’art sur le sujet qui a finalement affiné d’avantage la problématique et conduit à de nouvelles pistes plus prometteuses car la question est jusqu’alors partiellement résolue. Plus précisément, les investigations doivent se concentrer désormais sur les commandes dites aux bords ou frontières.D’un point de vue pratique, les résultats obtenus dans cette thèse peuvent être exploités dans l’avenir pour améliorer et facilité les techniques actuelles de simulation et d’analyse en adaptant, par exemple, chaque modèle utilisé aux phénomènes à reproduire. / This thesis was motivated by the need to better understand the connection between the models used in simulation of the power systems dynamics and the phenomena which have to be analyzed or reproduced by the simulation. Indeed, to study and to simulate the behavior of the interconnected power systems, the sophisticated models such as the one of the transmission lines are generally replaced by simple ones. Usually, a dynamic structure of the whole system is not taken into account in a simplification step. As a consequence, experimental validations are generally needed to assess the result of the approximation. For this reason, a structural framework and a systemic viewpoint are proposed to make the solutions more general and more appropriate to the approximation of power systems. First, this allows explaining the link between the distributed parameters model of the transmission lines and the finite dimensional one called π model based on the model reduction. Next, a novel mixed approximation methodology for large-scale dynamic models is proposed which allows one to better rate the dynamics of the system in different situations, and to take into account several practical needs. This methodology is based on a mixture between the modal truncation and the energy of the impulse response so that the dynamical and the physical structures of the system remain unchanged. Moreover, in the context of the automatic control theory, the issue related to a number and a choice of input variables for distributed parameters systems is discussed. To address this issue, an algebraic approach is applied. Here, the main contribution is the detailed study conducted on the basis of the state of the art by which a new way is proposed. Because the issue is not fully solved, more investigations have to be focused on the so called boundary control variables. For practical applications, all the results presented in this study can be exploited to further improve numerical simulations and behavioral studies of large-scale power systems.

Des solutions innovantes doivent être développées pour envisager l’avenir des systèmes électriques face à un nombre grandissant de contraintes. En particulier, le stockage d’énergie est pressenti comme un soutien indispensable à l’essor massif dans les réseaux de distribution de sources de production exploitant les énergies renouvelables. Les présents travaux visent à apporter des éléments de réflexion sur cette option technique qui arrive à maturité et suscite l’intérêt. Dans un premier temps, des méthodes d’étude sont proposées pour cerner le potentiel et les opportunités du stockage distribué. Une grille de caractérisation des technologies est introduite et sa mise en œuvre souligne des performances intéressantes à des coûts qui, cependant, demeurent élevés. Pour rendre leur utilisation réaliste, la valeur de ces dispositifs pour les systèmes électriques est donc critique. Nous l’analysons en deux étapes : une classification de leurs services pour les différents acteurs en présence est définie avant d’aborder la mutualisation de fonctions, requise pour favoriser l’atteinte d’une rentabilité, via une approche originale. Cette démarche aboutit à l’identification de configurations porteuses qui méritent des études plus poussées. Pour ce faire, un modèle général de comportement des unités de stockage est développé dans un second temps. Interfacé à un logiciel de simulation dynamique des réseaux, il permet d’évaluer l’utilisation de telles installations pour diverses offres de services. Ces outils sont appliqués et validés expérimentalement sur la caractérisation d’une réserve impulsionnelle fournie par le stockage pour réduire les délestages dans les systèmes insulaires / Innovative solutions must be developed to make future power systems able to overcome a growing number of challenges. In particular, energy storage is thought to be the missing link that will help enable the massive integration of renewable sources in distribution grids. The present research work aims to investigate this new technical option, which has reached maturity and is currently attracting increasing attention. In the first part of the dissertation, general methods to assess the potential and opportunities of distributed energy storage are presented. A framework for characterizing storage technologies is defined and its use highlights interesting performances but high costs. That is why the benefits of such devices for power systems are crucial to their development. The study of this point is carried out in two phases: their applications for various stakeholders of liberalized power systems are first classified and precisely defined; the aggregation of some of these services to increase the profitability of energy storage is then contemplated using a new method. This approach leads to the identification of high-value configurations that deserve further exploration. To this end, a scalable, flexible model of distributed energy storage systems is proposed in the second part of the dissertation. Its implementation in a dynamic simulation software allows the study of advanced storage service packs in power systems. The possibilities offered by these tools are illustrated and experimentally validated on a case study: the provision of a fast frequency control reserve by distributed storage to reduce the use of automatic load-shedding in isolated power systems is analyzed

L'objectif de ce travail de thèse est de développer une bibliothèque de modules IPs (Intellectual Properties) de simulateurs temps réel embarqués qui simulent différents éléments d'un système électrique. Ces modules ont été conçus pour être utiliser non seulement pour une validation HIL (Hardware-In-the-Loop) des commandes numériques mais aussi pour des applications de commande embarquées, où le module IP de simulateur et le contrôleur sont tous les deux implémentés et exécutés dans la même cible FPGA. Cette nouvelle classe de simulateurs temps réel devrait être de plus en plus incluse dans la prochaine génération de contrôleurs numériques. En effet, ces modules IPs de simulateurs temps réel embarqués peuvent être avantageusement intégrés dans les contrôleurs numériques pour assurer des fonctions comme l'observation, l'estimation, le diagnostic où la surveillance de la santé. Inversement aux cas de HIL, le principal défi lors de la conception de tels simulateurs est de faire face à leur complexité ayant à l'esprit que, dans le cas des systèmes embarqués, les ressources matérielles disponibles sont limitées en raison du coût. En outre, ce problème est renforcé par la nécessité des pas de simulation très petit. Ceci est généralement le cas lors de la simulation des convertisseurs de puissance.Pour développer ces modules IPs, des lignes directrices dédiés de conception ont été proposées pour être suivies pour gérer la complexité de ces simulateurs (solveur de modèle, solveur numérique, pas de simulation, conditionnement de données) tout en tenant compte des contraintes temporelles et matérielles/coût (temps de calcul limité, ressources matérielles limitées ...).Les modules IPs de simulateurs à développer ont été organisés en deux catégories principales: ceux qui sont consacrées aux éléments électromagnétiques d'un système électrique, et ceux dédiés à ses éléments commutés.La première catégorie regroupe les éléments où les phénomènes électriques, magnétiques sont modélisés en plus de phénomènes mécaniques (pour les parties mécaniques) et des phénomènes potentiellement thermiques. Trois cas sont traités: le simulateur temps réel embarqué d'une machine synchrone triphasée, celui d'une machine asynchrone triphasée et celui d'un alternateur synchrone à trois étages. En plus de cela, les avantages de l'utilisation de la transformation delta pour améliorer la stabilité du solveur numérique lorsque un petit pas de calcul et le codage virgule fixe (avec une précision de données limitée) sont utilisés, ont été étudiés.La deuxième catégorie concerne des éléments commutés tels que les convertisseurs de puissance où les événements de commutation sont considérés. Là encore, plusieurs topologies de convertisseurs ont été étudiées: un redresseur simple alternance, un hacheur série, un hacheur réversible en courant, un hacheur quatre quadrant, un onduleur monophasé, un onduleur triphasé, un redresseur à diodes triphasé et un redresseur MLI triphasé. Pour tous ces modules IPs de simulateurs, l'approche de modélisation ADC (Associated Discrete Circuit) est adoptée.Le module IP de simulateur temps réel embarqué du redresseur MLI a été appliqué dans un contexte d'une application embarquée. Cette dernière consiste en une commande tolérante aux défauts d'un convertisseur de tension coté réseau. Ainsi, ce module IP est associé à celui d'un simulateur temps réel d'un filtre RL triphasé et les deux sont embarqués dans le dispositif de commande du redresseur pour estimer les courants de lignes. Ces courants sont injectés dans le dispositif de commande dans le cas d'un défaut de capteur de courant. La capacité de cet estimateur de garantir la continuité de service en cas de défauts est validée par des tests HIL et expérimentalement. / The aim of this thesis work is to develop an IP-Library of FPGA-based embedded real-time simulator IPs (Intellectual Properties) that simulate different elements of an electrical system. These IPs have been designed to be used not only for Hardware-In-the-Loop (HIL) testing of digital controllers but also for low cost embedded control applications, where the simulator IP and the controller are both implemented and run altogether in the same FPGA device. This emerging class of real-time simulators is expected to be more and more included in the next generation of digital controllers. Indeed, such embedded real-time simulator IPs can be advantageously embedded within digital controllers to ensure functions like observation, estimation, diagnostic or health-monitoring. Conversely to the HIL case, the main challenge when designing such simulator IPs is to cope with their complexity having in mind that, in the case of embedded systems, the available hardware resources are limited due to the cost. Furthermore, this challenge is strengthened by the need of very short simulation time-steps which is typically the case when simulating power converters.To develop these IPs, dedicated design guidelines have been proposed to be followed to manage the complexity of these simulator IPs (model solver, numerical solver, time-step, data conditioning) with regards to the timing and the area/cost constraints (computation time limit, limited hardware resources …).The simulators IPs to be developed have been organized into two main categories: those dedicated to electromagnetic elements of an electrical system and those dedicated to their switching elements.The first category gathers elements where electric, magnetic phenomena are modelized in addition to mechanical phenomena (for moving systems) and potentially thermal phenomena. Three cases are dealt with: the embedded real-time simulator of a three-phase synchronous machine, the one of a three-phase induction machine and the one of a brushless synchronous generator. Also, the advantages of using delta transformation to improve the stability of the numerical solver when short simulation time-step and fixed-point (with limited data precision) are used, have been studied.The second category concerns switching elements such as power converters where switching events are considered. Here again, several converter topologies have been studied: a half-wave rectifier, a buck DC-DC converter, a bidirectional buck DC-DC converter, a H-bridge DC-DC converter, a single-phase H-bridge DC-AC converter, a three-phase voltage source inverter, a three-phase diode rectifier and a three-phase PWM rectifier. For all these IPs, the Associated Discrete Circuit (ADC) modeling approach is adopted.The embedded real-time simulator IP of the three-phase PWM rectifier has been applied in the context of an embedded application. The latter consists of a fault-tolerant control of a grid-connected voltage source rectifier. Thus, this simulator IP is associated with the one of a three-phase RL-filter and are both implemented within the rectifier controller to estimate the grid currents. These currents are injected in the controller in the case of a current sensor fault. The ability of this estimator to guarantee the service continuity in the case of faults is validated through HIL tests and experiments.

Dans cette thèse, je discute deux questions autour de la transition énergétique : comment définir une stratégie face aux nombreuses incertitudes et aux inerties des systèmes, et quels sont impacts sur l’emploi de cette transition ?Pour étudier le choix d’une stratégie, je m’intéresse au cas du secteur électrique français. Les réacteurs nucléaires arrivent au terme de leur durée de vie initiale, mais ils peuvent être rénovés moyennant un investissement estimé à 100 milliards d'euros pour l'ensemble du parc. Combien de centrales faut-il rénover ? En mobilisant un modèle d'optimisation et la méthode de \textit{Robust Decision Making}, je montre qu’au vu des estimations actuelles, les stratégies les plus intéressantes consistent à fermer 7 à 14 réacteurs et à les remplacer par des énergies renouvelables.Sur le volet de l’emploi, je m’intéresse tout d’abord à la notion de contenu en emploi. Je propose une méthodologie nouvelle permettant de décomposer ce contenu, afin de mettre en évidence, pour chaque branche économique, l’importance relative de ses constituants : les taux d’importations, les taxes et subventions, la part du travail dans la valeur ajoutée et le niveau de salaire. J'étudie ensuite l’impact d’une réallocation des investissements vers des secteurs bas-carbone à l'aide de modèles d'équilibre général, dont j'explicite les mécanismes économiques sous-jacents.Mes résultats indiquent qu'encourager les secteurs avec une forte part du travail dans la valeur ajoutée ou de faibles salaires permet de créer de l'emploi, mais ils nuancent les bénéfices à encourager des secteurs peu importateurs. / This thesis deals with two aspects of the transition towards a low-carbon economy: how to define a strategy under the uncertainties and inertia surrounding power systems, and what are the impacts of this transition on employment?To study the choice of a strategy, I focus on the case of the French power system. The 58 nuclear reactors are reaching the end of their initially planned lifetime, but they can be retrofitted for a cost estimated at a \euro 100 billion for the entire fleet. How many reactors should be retrofitted? I study this question using an optimization model of the French power system and the \textit{Robust Decision Making} framework. My results indicate that the most interesting strategies consist in closing 7 to 14 reactors in favor of renewable energies, given current estimates.As to employment impacts, I study the notion of employment content and offer an original methodology to break it down and understand the relative importance of four components: import rates, taxes and subsidies, the share of labour in value added and the level of wage.Then, I study the employment impacts of shifting investment towards low-carbon sectors with general equilibrium models, and highlight their underlying economic mechanisms.My results suggest that encouraging sectors with a high share of labor or low wages might increase employment, but they also challenge the benefits of targeting sectors with a low import rate.