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    Contributions à l'amélioration de la performance statique des réseaux T & D intégrés en présence des REDs

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    Avec la croissance des nouvelles technologies émergentes dans les réseaux de distribution, tels que les éoliennes, les panneaux solaires, les véhicules électriques et les sources de génération distribuées, la nécessité d'étudier simultanément les réseaux de transmission et de distribution (T&D) et leurs interactions bilatérales ne peut plus être négligée. Une forte pénétration des sources d'énergie renouvelable, naturellement stochastiques, peut inverser le flux d'énergie, ce qui ne rentre pas dans le paradigme d’un écoulement de puissance à flux descendant qui caractérise les systèmes d'alimentation conventionnels. Par conséquent, les méthodes d'étude de réseaux telles que le fux de puissance optimal (Optimal Power Flow), l'engagement des groupes de production (unit commitment) et l'analyse de la stabilité doivent être revisitées. Cette thèse propose l'application de systèmes de stockage d'énergie sur batterie (BESS) dans un cadre intégré de T&D minimisant les impacts négatifs des énergies renouvelables insérées dans le réseau de distribution ou chez le client. Les BESS peuvent être interprétés comme des équipements flexibles supplémentaires, contrôlés à distance et/ou localement, qui absorbent ou libèrent des puissances actives et réactives et améliorent l'efficacité globale du système T&D au complet du point de vue de la stabilité et de la performance dynamique. Selon la pratique courante, les études des systèmes T&D intégrés peuvent être classées en sous-groupes d’études dynamiques vs stationnaires ou en sous-groupes d’études de cooptimisation vs co-simulation. Suivant la même approche, l’analyse à l’état d’équilibre est d’abord lancée par un nouvel outil d’allocation optimisée stochastique de BESS (VSCSOBA) à contrainte de stabilité de tension. L'outil d'optimisation développé basé sur GAMS à deux niveaux prend en compte les BESS et des modèles détaillés de ressources énergétiques distribuées stochastiques tout en minimisant principalement les pertes de puissance active, mais les écarts de tension, les coûts de délestage, l'augmentation de la capacité de charge (chargeabilité ou « loadbility ») ainsi que la réduction de la vulnérabilité sont aussi des fonctions objectives qui ont été considérées. L’applicabilité de l’outil proposé a été confirmée sur des cas d’utilisation basés sur des réseaux T&D benchmark de l’IEEE comportant des centaines de variables et contraintes. Dans la partie suivante, l'architecture du framework de co-simulation, ainsi que les différents acteurs clés qui y participent seront examinés. Les objectifs de cette partie sont les suivants : développer, simuler et résoudre des équations algébriques de chaque niveau indépendamment, à l'aide de simulateurs bien connus, spécifiques à un domaine (c’est-à-dire, transport vs distribution), tout en assurant une interface externe pour l'échange de données. L'outil d'interface devrait établir une connexion de partage de données robuste, fiable et bilatérale entre deux niveaux de système. Les idées et les méthodologies proposées seront discutées. Pour completer cette étude, La commutation optimale de réseaux de transport (Optimal Transmission Switching) en tant que nouvelle méthode de réduction des coûts d'exploitation est considérée d'un point de vue de la sécurité, en assument ou non la présence des BESS. De toute évidence, l'OTS est un moyen efficace (tout comme la référence de tension ou le contrôle des références de puissances P-Q) qui s’avère nécessaire dans le cadre T&D intégré, tel que nous le démontrons à travers divers cas d'utilisation. Pour ce faire, afin de préserver la sécurité des systèmes de transport d'électricité contre les attaques ou les catastrophes naturelles telles que les ouragans et les pannes, un problème OTS stochastique orienté vulnérabilité (VO-SOTS) est également introduit dans cette thèse tout en considérant l'incertitude des charges via une approche par échantillonage de scénarios respectant la distribution statistique des incertitudes.With the growing trend of emerging new technologies in distribution networks, such as wind turbines, solar panels, electric vehicles, and distributed generations, the need for simultaneously studying Transmission & Distribution (T&D) networks and their bilateral interactions cannot be overlooked anymore. High penetration of naturally stochastic renewable energy sources may reverse the energy flow which does not fit in the top-down energy transfer paradigm of conventional power systems. Consequently, network study methods such as optimal power flow, unit commitment, and static stability analysis need to be revised. This thesis proposes application of battery energy storage systems (BESS) within integrated T&D framework minimizing the adverse impacts of renewable energy resources. The BESSs can be interpreted as additional flexible equipment, remotely and/or locally controlled, which absorb or release both active and reactive powers and improve the overall efficiency of the complete T&D system from both steady-state and dynamic viewpoints. As a common practice, the integrated T&D framework studies are categorized into either dynamic and steady-state subcases or co-optimization framework and co-simulation framework. Following the same approach, the steady-state analysis is first initiated by a novel voltage stability constrained stochastic optimal BESS allocation (VSC-SOBA) tool. The developed bi-level GAMS-based optimization tool takes into account BESSs and detailed models of stochastic distributed energy resources while minimizing active power losses, voltage deviation, load shedding costs, increasing loadability, and vulnerability mitigation are objective functions. The applicability of proposed tool has been confirmed over large IEEE recognized T&D benchmarks with hundreds of variables and constraints. In the next part, the architecture of co-simulation framework and different key players will be investigated. The objectives of this part are set as: developing, simulating, and solving differential and algebraic equations of each level independently, using existing well-known domain-specific simulators, while externally-interfaced for exchanging data. The interface tool should stablish a robust, reliable, and bilateral data sharing connection between two levels of system. The ideas and proposed methodologies will be discussed. To complete this study, optimal transmission switching (OTS) as a new method for reduction of operation costs is next considered from a security point of view. It is shown clearly that OTS is an effective mean (just like voltage reference or P-Q reference control), which is necessary in the integrated T&D framework to make it useful in dealing with various emerging use cases. To do so without impeding the security of power transmission systems against attacks or natural disasters such as hurricane and outages, a vulnerability oriented stochastic OTS (VO-SOTS) problem is also introduced in this thesis, while considering the loads uncertainty via a scenario-based approach

    On the Modeling and Simulation of Future Energy Systems

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    The finiteness of fossil fuels and their impact on the global climate call for a transformation of the energy system, in particular the power system. This transformation is driven by new technologies, changing objectives of the actors involved and conditions by political frameworks. A classic means of designing such conditions as well as evaluating strategies for achieving individual objectives is the use of models and their simulation. Just like the systems themselves, the models and the underlying methods are in a state of change, and their applicability must be questioned. As a result, there is a need for new methods and tools for modeling and simulating complex energy systems to represent reality with sufficient accuracy. The present thesis addresses this gap. First, based on a holistic description of the energy and power system, an overview of the current state of research of modeling approaches and their shortcomings is given. Second, the framework MOCES is designed and implemented. Based on Modelica, it allows a holistic simulation of the power system based on the modeling of the individual behavior of each actor as well as the physical systems they act on. Finally, MOCES is applied to simulate the German power system extended by storage systems that pursue the goal to use energy as locally as possible. The model allows, i.a., to evaluate the grid load and stability, the electricity market and the yields of the actors.Die Endlichkeit fossiler Energieträger und deren Einfluss auf das globale Klima erzwingen eine Transformation des Energie- und Stromsystems -- eine Umgestaltung, die getrieben ist durch neue Technologien, veränderte Zielstellungen der Akteure und politische Rahmenbedingungen, die als Bebauungsplan zu verstehen sind. Ein etabliertes Mittel zur Findung der Rahmenbedingungen sowie der Bewertung von Strategien zur Erreichung individueller Ziele ist die Nutzung von Modellen und deren Simulation. Genau wie die Systeme selbst müssen die Modelle und Methoden angepasst werden, um die Realität hinreichend genau abzubilden. Auf diese Forschungsfrage zahlt diese Arbeit mit zwei aufeinander aufbauenden Schwerpunkten ein. Zunächst wird, ausgehend von einer holistischen Beschreibung des Energie- und Stromsystems, ein Überblick zum Forschungsstand von Modellierungsansätzen und Herausforderungen gegeben. Im zweiten Teil wird das Framework MOCES entworfen und implementiert. Basierend auf Modelica erlaubt es eine holistische Simulation des Stromsystems auf Basis der Modellierung des individuellen Verhaltens der einzelnen Akteure sowie der physikalischen Systeme, auf die sie einwirken. MOCES wird genutzt, um ein deutsches Stromsystem zu simulieren, das mit Speichern modifiziert wurde, die dem Ziel folgen, Strom möglichst lokal zu verbrauchen. Das erstellte Modell erlaubt, u.a., den Einfluss auf die Netzlast und -stabilität, den Strommarkt sowie die individuellen Erträge der Akteure zu bewerten
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