Energy supervision of distribution networks with connected electric vehicles, renewable energy sources, storage systems and controllable passive loads

Les réseaux de distribution d'électricité sont depuis plusieurs années au cœur des évolutions énergétiques et environnementales qui touchent nos sociétés. Les clients délaissent progressivement les chauffe-eaux instantanés à gaz pour les ballons d'eau chaude électriques, ainsi que les voitures diesel pour les véhicules électriques. D'autre part, la production d'énergie renouvelable commence à constituer une part importante du mix énergétique mais ne concorde pas nécessairement avec la consommation électrique des usagers. Elle peut donc être refoulée vers le reste du réseau de distribution, voire le réseau de transport. Toutes ces évolutions doivent être maîtrisées pour éviter un renforcement conséquent des infrastructures du réseau, et limiter les répercussions économiques et environnementales de la transition énergétique. Dans ce sens, ces travaux de thèse portent sur la supervision énergétique des réseaux de distribution HTA, en particulier de type rural et péri-urbain, afin d'y encourager la consommation locale des énergies renouvelables et d'optimiser le coût d'acheminement d'énergie pour les gestionnaires du réseau. Les algorithmes développés visent principalement à piloter les charges tels que les véhicules électriques et les ballons d'eau chaude sanitaire raccordés au réseau de distribution. Le système de supervision agit au niveau d'un poste source HTB/HTA et utilise les mesures ainsi que les prévisions de production et de consommation d'énergie afin de piloter les différentes charges disponibles. La stratégie proposée prend aussi en compte les contraintes électriques qui peuvent apparaître sur le réseau à travers une approche de co-simulation entre les logiciels Matlab/Simulink, où la supervision est implémentée, et DIgSILENT PowerFactory, où le réseau de distribution est finement modélisé. Les consignes de supervision sont donc testées et adaptées en temps-réel avant d'être envoyées aux différents utilisateurs. Enfin, le pilotage des producteurs décentralisés est aussi utilisé comme levier supplémentaire pour résoudre une partie des contraintes électriques.Electricity distribution grids have been for several years at the heart of energy and environmental challenges affecting our societies. Customers are increasingly switching from instantaneous gas water heaters to electric hot water tanks, and from diesel cars to electric vehicles. On the other hand, renewable energy production is starting to become an important part of the energy mix but does not necessarily match the electricity consumption of the users. It can therefore be transmitted to the rest of the distribution network, and eventually the transmission network. All these evolutions must be controlled to avoid significant reinforcements of the network infrastructures and limit the economic and environmental impacts of the energy transition. In this context, this thesis focuses on the energy supervision of medium voltage distribution grids, particularly rural and suburban types, to promote the local consumption of renewable energy and optimize energy transmission costs for network operators. The developed algorithms mainly aim to control loads such as electric vehicles and electric water heaters. The supervision system acts at the level of an HV/MV substation and uses real-time production and consumption measurements as well as day-ahead forecasts to control the various available loads. The proposed strategy also takes into account the electrical constraints that can appear on the network through a co-simulation approach between Matlab/Simulink software, where the supervision strategy is implemented, and DIgSILENT PowerFactory, where the distribution network is finely modeled. The supervision's power set-points are therefore tested and adapted in real-time before being sent to the various customers. Finally, the control of decentralized producers is used as an additional lever to solve a part of the detected electrical constraints