Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
réseau électrique,modélisation,simulation,énergie renouvelable,informatique,
Keywords
electricity network,modelling,simulation,renewable energies,computing,
Titre de thèse
Modélisation et analyse de la règlementation relative à l'équilibre au sein du réseau électrique français
Modeling and analysis of the regulation of the balancing within the French electrical network
Date
Jeudi 11 Mai 2023 à 13:30
Adresse
Château de Cadarache, Route de Vinon-sur-Verdon, 13115 Saint-Paul-les-Durance Amphithéâtre
Jury
Président |
M. Yvon BESANGER |
Grenoble INP |
Rapporteur |
Mme Manuela SECHILARIU |
Université technologique de Compiègne |
Directeur de these |
Mme Claire VAGLIO-GAUDARD |
CEA Cadarache |
CoDirecteur de these |
M. Bruno ROBISSON |
CEA Cadarache |
Examinateur |
M. Gerald VIGNAL |
RTE |
Examinateur |
Mme Aude POMMERET |
Université Savoie Mont-Blanc |
Résumé de la thèse
La gestion de léquilibre du réseau électrique (c-à-d faire en sorte que la production soit égale à la consommation) est encadrée par deux dispositifs réglementaires. Le premier, appelé « dispositif de responsable déquilibre » est décentralisé et incite des acteurs de marchés, appelés « responsables déquilibres » (ou RE), à égaliser les productions (ou « injections ») et les consommations (ou « soutirages ») dont ils sont responsables. Le second dispositif, appelé « équilibrage » est géré exclusivement par le gestionnaire du réseau de transport (ou GRT). Il a été conçu pour compenser la somme des écarts de tous les RE, en mobilisant les réserves mises à sa disposition. Ces deux dispositifs ont été conçus en respectant implicitement deux principes : le premier est quun RE doit pouvoir équilibrer son périmètre. Le second est quun RE ne doit pas être impacté par laction dun autre acteur. Cette thèse vise à fournir une méthode danalyse permettant de vérifier si ces principes sont respectés ou non.
Pour atteindre cet objectif, une modélisation des dispositifs réglementaires est proposée. Temporellement, elle repose sur une discrétisation du fonctionnement du système par période de livraison, dune durée de 30 minutes, et pour laquelle les acteurs réalisent les actions quils ont planifiées. Mathématiquement, pour une période donnée, elle sappuie sur la représentation dun acteur à deux instants clefs : la fin de la période de planification et la fin de la période de facturation.
La méthode danalyse est ensuite explicitée. Elle repose sur une utilisation du modèle combinée à une approche symbolique. Pour cela, une traduction des principes en termes mathématiques ainsi quune méthode de vérification sont proposées. Pendant la thèse, cette méthode a été appliquée au mécanismes « services système fréquence », au mécanisme dajustement, au mécanisme deffacement de consommation français nommé NEBEF, ainsi quau mécanisme dautoconsommation collective. Cette analyse a montré que la conception de certains mécanismes ne permet pas aux RE déquilibrer leurs périmètres. Une discussion sur les choix de conception des mécanismes a alors été engagée. Il a été notamment discuté des limites inhérentes à la courbe de référence, prévisionnel de consommation, qui ne permet que destimer une consommation telle quelle aurait dû avoir lieu. De potentielles améliorations, comme la prise en compte des erreurs de lopérateur deffacement pour la construction de cette courbe, ont ainsi pu être proposées.
La modélisation a aussi été utilisée pour simuler une opération dautoconsommation collective à partir de données réelles collectées par le CEA, afin danalyser quantitativement léquilibre des acteurs. Les résultats observés sont tels quattendus daprès lanalyse symbolique effectuée. On y retrouve le déséquilibre des fournisseurs si certaines informations ne sont pas transmises ainsi que la dépendance de léquilibre des producteurs et fournisseurs au surplus de production. Ce cas montre également quune production dimensionnée pour répondre aux besoins de lopération crée moins décarts pour les acteurs quune centrale surdimensionnée. Par ailleurs, on note un déséquilibre plus important pour le producteur lorsquil participe à lopération. Ceci nest pas lobjectif du mécanisme, qui devrait plutôt réduire les écarts.
Lapproche symbolique, qui pourra permettre danalyser simplement la conception et la pertinence de futurs mécanismes est une approche originale, comme le montre létat de lart sur la modélisation du système électrique. En effet, les outils de modélisation existants intègrent bien la notion déquilibre du réseau sous certains aspects mais ne tiennent pas compte de lensemble des aspects liés à léquilibre des acteurs. De plus, le travail de modélisation effectué a permis de proposer une méthode compréhensible et reproductible qui peut être utilisée comme base de départ pour simuler léquilibre du réseau.
Thesis resume
Managing the balance of the electricity network (i.e., ensuring that production equals consumption) is organised around two regulatory mechanisms. The first, called the "balance responsible mechanism" is decentralised and encourages market players, called "balance responsible" (or BR), to equalise the production (or "injections") and consumption (or "extractions") for which they are responsible. The second system, called "balancing", is managed exclusively by the Transmission System Operator (TSO). It was designed to compensate for the sum of the imbalances of all BRs, by mobilising the reserves made available to it. These two systems were designed with two principles implicitly in mind: the first is that a BR must be able to balance its perimeter. The second is that a BR should not be impacted by the action of another actor. This thesis aims to provide an analysis method to verify whether or not these principles are respected.
To achieve this objective, a modelling of the French regulation is proposed. Temporally, it is based on a discretisation of the system operation by delivery period, of 30 minutes duration, and for which the actors carry out the actions they have planned. Mathematically, for a given period, it is based on the representation of an actor at two key moments: the end of the planning period and the end of the invoicing period.
The analysis method is then explained. It is based on the use of the model combined with a symbolic approach. For this, a translation of the principles into mathematical terms as well as a verification method are proposed. During the thesis, this method has been applied to the three types of frequency reserves, to the French load shedding mechanism called NEBEF, and to the collective self-consumption mechanism. This analysis has shown that the design of certain mechanisms does not allow BRs to balance their perimeters. A discussion on the design choices of the mechanisms was then initiated. In particular, the inherent limits of the reference curve, a consumption forecast, which only allows an estimate of consumption as it should have taken place, were discussed. Potential improvements, such as considering the errors of the load shedding operator in the construction of this curve, were thus proposed.
The modelling was also used to simulate a collective self-consumption operation based on real data collected by the CEA, to quantitatively analyse the balance of the actors. The observed results are as expected from the symbolic analysis performed. The imbalance of the suppliers if certain information is not transmitted is shown, as well as the dependence of the producers' and suppliers' equilibrium on the production surplus. This case also shows that a production sized to meet the needs of the operation creates fewer gaps for the actors than an oversized plant. On the other hand, there is a greater imbalance for the producer when he participates in the operation. This is not the objective of the mechanism, which should rather reduce the gaps.
The symbolic approach, which could allow a simple analysis of the design and relevance of future mechanisms, is an original approach, as shown by the state of the art on power system modelling. Indeed, the existing modelling tools integrate well certain aspects of the network-balance management aspects but do not consider all the aspects related to the balance of the actors. Moreover, the modelling work carried out has made it possible to propose a comprehensible and reproducible method that can be used as a starting point for simulating the network balance.