Optimización multiobjetivo del consumo de energía eléctrica basado en la programación de la demanda

This document presents a program of response to the electrical demand that allows prioritizing that electrical loads must be reduced or maintained to achieve energy savings through the mechanism of rate of prices of electricity in real time, this program is applied a Multi-Objective optimization that allows to include aspects such as the operability and times associated with the operation of an industrial process, for this case is the start time of the industrial processes the restriction that is added to achieve a complete behavior of the program, the optimization seek by means of the restrictions of energy get a management of the loads associated with the process, it is also shown how to reduce the energy consumption associated with the use of certain processes.En este documento se presenta un programa de respuesta a la demanda eléctrica que permita priorizar que cargas eléctricas deben ser reducidas o mantenerse para lograr un ahorro energético mediante el mecanismo de tarifa de precios de energía eléctrica en tiempo real , a este programa se le aplica una optimización multiobjetivo que permite incluir aspectos como la operatividad y los tiempos asociados a la operación de un proceso industrial, para este caso es el tiempo de arranque de los procesos industriales la restricción que se añade para lograr un comportamiento completo del programa, la optimización busca mediante las restricciones de tipo energético conseguir una gestión de las cargas asociadas al proceso, se muestra también como se logra reducir el consumo de energía asociados al uso de ciertos procesos

Gestion optimisée d'un modèle d'agrégation de flexibilités diffuses

The desire to increase the share of renewable energies in the energy mix leads to an increase inshare of volatile and non-controllable energy and makes it difficult to meet the supply-demand balance. A solution to manage anyway theses energies in the current electrical grid is to deploy new energy storage and demand response systems across the country to counter balance under or over production. In order to integrate all these energies systems to the supply and demand balance process, there are gathered together within a virtual flexibility aggregation power plant which is then seen as a virtual power plant. As for any other power plant, it is necessary to compute its production plan. Firstly, we propose in this PhD thesis an architecture and management method for an aggregation power plant composed of any type of energies systems. Then, we propose algorithms to compute the production plan of any types of energy systems satisfying all theirs constraints. Finally, we propose an approach to compute the production plan of the aggregation power plant in order to maximize its financial profit while complying with all the constraints of the grid.Le souhait d’augmenter la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique entraine une augmentation des parts des énergies volatiles et non pilotables, et rend donc l’équilibre offre-demande difficile à satisfaire. Une façon d’intégrer ces énergies dans le réseau électrique actuel est d’utiliser de petits moyens de production, de consommation et de stockage répartis sur tout le territoire pour compenser les sous ou sur productions. Afin que ces procédés puissent être intégrés dans le processus d’équilibre offre-demande, ils sont regroupés au sein d’une centrale virtuelle d’agrégation de flexibilité, qui est vue alors comme une centrale virtuelle. Comme pour tout autre moyen de production du réseau, il est nécessaire de déterminer son plan de production. Nous proposons dans un premier temps dans cette thèse une architecture et un mode de gestion pour une centrale d’agrégation composée de n’importe quel type de procédés. Dans un second temps, nous présentons des algorithmes permettant de calculer le plan de production des différents types de procédés respectant toutes leurs contraintes de fonctionnement. Et enfin, nous proposons des approches pour calculer le plan de production de la centrale d’agrégation dans le but de maximiser son gain financier en respectant les contraintes réseau

Implementation and assessment of demand response and voltage/var control with distributed generators

The main topic of this research is the efficient operation of a modernized distribution grid from both the customer side and utility side. For the customer side, this dissertation discusses the planning and operation of a customer with multiple demand response programs, energy storage systems and distributed generators; for the utility side, this dissertation addresses the implementation and assessment of voltage/VAR control and conservation voltage reduction in a distribution grid with distributed generators. The objectives of this research are as follows: (1) to develop methods to assist customers to select appropriate demand response programs considering the integration of energy storage systems and DGs, and perform corresponding energy management including dispatches of loads, energy storage systems, and DGs; (2) to develop stochastic voltage/VAR control techniques for distribution grids with renewable DGs; (3) to develop optimization and validation methods for the planning of integration of renewable DGs to assist the implementation of voltage/VAR control; and (4) to develop techniques to assess load-reduction effects of voltage/VAR control and conservation voltage reduction. In this dissertation, a two-stage co-optimization method for the planning and energy management of a customer with demand response programs is proposed. The first level is to optimally select suitable demand response programs to join and integrate batteries, and the second level is to schedule the dispatches of loads, batteries and fossil-fired backup generators. The proposed method considers various demand response programs, demand scenarios and customer types. It can provide guidance to a customer to make the most beneficial decisions in an electricity market with multiple demand response programs. For the implementation of voltage/VAR control, this dissertation proposes a stochastic rolling horizon optimization-based method to conduct optimal dispatches of voltage/VAR control devices such as on-load tap changers and capacitor banks. The uncertainties of renewable DG output are taken into account by the stochastic formulation and the generated scenarios. The exponential load models are applied to capture the load behaviors of various types of customers. A new method to simultaneously consider the integration of DGs and the implementation of voltage/VAR control is also developed. The proposed method includes both solution and validation stages. The planning problem is formulated as a bi-level stochastic program. The solution stage is based on sample average approximation (SAA), and the validation stage is based on multiple replication procedure (MRP) to test the robustness of the sample average approximation solutions of the stochastic program. This research applies big data-driven analytics and load modeling techniques to propose two novel methodologies to assess the load-reduction effects of conservation voltage reduction. The proposed methods can be used to assist utilities to select preferable feeders to implement conservation voltage reduction.Ph.D

Modélisation et optimisation de l'interaction entre véhicules électriques et réseaux d'électricité : apport de la théorie des jeux

This thesis studies the technical and economical interaction between electric vehicles and electrical networks. The recent development of electric mobility leads to the analysis of potential impacts of electric vehicle charging on the electrical networks, but also to the possible support that these particular electric consumers could provide in the future smart grids. In this direction, most of the results given in this thesis also apply to a washing machine, a water-heater, a TV, as soon as these equipments are capable of being smart! When the decisions of flexible electric consumers interact, the considered framework naturally offers a unique exercise area for the tools of game-theory. The interpretation is straightforward when the considered problem is strategic by definition, but these tools allow also shedding light on other aspects: algorithmic coordination, information exchange, etc. The description of the benefits of using game-theory in this context is the aim of this work. This is done according to three aspects. In these three directions, a particular attention is drawn to the case of rectangular charging profiles, which are very practical, but often ignored by the literature. First, algorithmic issues arise when coordinating the charging of electric vehicles in a same area of the electrical network. A charging algorithm is proposed and analyzed. This is done by studying an underlying auxiliary game. This game is proved to belong to the class of potential games under very general physical and economic assumptions. In turn, it inherits from the strong properties of this class of games, namely convergence and an efficiency result in the case of a large number of electric vehicles. Considering information exchange, a model is proposed to design a good communication scheme between an operator of the electrical system and an electric vehicle. Both agents have an interest in exchanging information to schedule optimally the charging profile of the electric vehicle but they do not share the same objective. This framework is closely related to Cheap-talk in game theory and to quantization in signal processing. Amongst others, this work explains interesting connections between both topics. Furthermore, a method, which is used offline, is given to obtain a good communication mechanism between both agents. Finally, game theory is used in its traditional form, studying the strategic interaction when groups of a large number of electric vehicles – seen as fleets – coexist with individual vehicles. This allows the application of the very recent concept of composite games. In the three parts of the work, simulations are conducted in a French realistic distribution network, which could be the first part of the electrical system severely impacted by a non-coordinated charging. This highlights the robustness of rectangular charging profiles against forecasting errors on the parameters of the models.Cette thèse étudie l'interaction technico-économique entre véhicules électriques et réseaux d'électricité. Le développement récent de la mobilité électrique invite en effet à analyser les impacts potentiels de la recharge de ces véhicules sur les réseaux électriques, mais aussi le soutien que ceux-ci pourraient apporter dans les réseaux du futur. Ce travail s'inscrit résolument dans le cadre des réseaux d'électricité intelligents ; la plupart des résultats de cette thèse s'appliquent tout aussi bien à un lave-linge, un chauffe-eau, une télévision tant que l'on leur prête la capacité d'intelligence ! Dès lors que les décisions des consommateurs électriques flexibles interagissent, ce cadre d'étude offre un terrain de jeu propice aux outils de théorie des jeux. Ceux-ci ont un apport direct lorsque le problème considéré a un fondement stratégique, mais leur application permet aussi de proposer des solutions sur des aspects où la théorie des jeux n'est pas forcément attendue : algorithmique, dans l'échange d'information entre acteurs, etc. La description de cet apport est l'objet principal de ce travail de thèse et se décompose en trois parties. En fil rouge, le cas des profils de charge rectangulaires – soutenus par de nombreux arguments pratiques mais souvent délaissés par les chercheurs – est analysé. En premier lieu, des questions algorithmiques se posent pour coordonner la charge de véhicules électriques dans un même périmètre du système électrique. Proposant et étudiant un algorithme de coordination, il est montré comment les propriétés fondamentales de celui-ci - sa convergence, l'efficacité de ses points de convergence – peuvent être déduite d'un jeu auxiliaire sous-jacent. L'analyse de ce jeu est faite en montrant qu'il appartient à la classe des jeux de potentiel, sous des hypothèses physiques et économiques très générales. Sur le plan de l'échange d'information, un modèle est proposé pour réfléchir à la bonne communication entre un opérateur du réseau et un véhicule. Ces deux agents ont intérêt à communiquer pour planifier la charge intelligente du véhicule électrique, mais ont des objectifs distincts. Ce cadre est très proche du Cheap-talk en théorie des jeux, mais aussi de la problématique de la quantification en traitement du signal. Ce travail tisse au passage des liens entre ces sujets. Il propose aussi une méthode pour que l'agent du réseau et le véhicule s'accordent hors-ligne sur un bon mécanisme d'échange d'information. Enfin, la théorie des jeux est appliquée dans un cadre plus habituel, pour analyser le jeu des acteurs. Ceci est fait quand des ensembles de véhicules de taille importante, vus comme des flottes, cohabitent avec des véhicules individuels. Ceci offre un terrain de jeu applicatif aux outils très récents des jeux composites. Dans ces trois directions de recherche, des simulations sont effectuées dans le cadre d'un réseau de distribution d'électricité, maille du système électrique qui pourrait vivre des impacts significatifs si la charge est non-coordonnée. En particulier, elles montrent la robustesse des méthodes proposées face aux incertitudes sur les données lorsque des profils de charge rectangulaires sont considérés