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

• Auteur / Autrice : Florian Selot
• Direction : Claire Vaglio-Gaudard, Bruno Robisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, Rayonnement, Plasma
• Date : Soutenance le 11/05/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache (Bouches-du-Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Yvon Bésanger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Vaglio-Gaudard, Bruno Robisson, Manuela Sechilariu, Gérald Vignal, Aude Pommeret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yvon Bésanger, Manuela Sechilariu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données (informatique)

Énergies renouvelables

Simulation

Postes de réseau électrique

Mots clés libres

Réseau électrique

Modélisation

Simulation

Énergie renouvelable

Informatique

Electricity network

Modelling

Simulation

Renewable energies

Computing

Résumé

La gestion de l'équilibre 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 d'équilibre » est décentralisé et incite des acteurs de marchés, appelés « responsables d'équilibres » (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 qu'un RE doit pouvoir équilibrer son périmètre. Le second est qu'un RE ne doit pas être impacté par l'action d'un autre acteur. Cette thèse vise à fournir une méthode d'analyse 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, d'une durée de 30 minutes, et pour laquelle les acteurs réalisent les actions qu'ils ont planifiées. Mathématiquement, pour une période donnée, elle s'appuie sur la représentation d'un acteur à deux instants clefs : la fin de la période de planification et la fin de la période de facturation.La méthode d'analyse 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 qu'une méthode de vérification sont proposées. Pendant la thèse, cette méthode a été appliquée au mécanismes « services système fréquence », au mécanisme d'ajustement, au mécanisme d'effacement de consommation français nommé NEBEF, ainsi qu'au mécanisme d'autoconsommation collective. Cette analyse a montré que la conception de certains mécanismes ne permet pas aux RE d'équilibrer 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 d'estimer une consommation telle qu'elle aurait dû avoir lieu. De potentielles améliorations, comme la prise en compte des erreurs de l'opérateur d'effacement pour la construction de cette courbe, ont ainsi pu être proposées.La modélisation a aussi été utilisée pour simuler une opération d'autoconsommation collective à partir de données réelles collectées par le CEA, afin d'analyser quantitativement l'équilibre des acteurs. Les résultats observés sont tels qu'attendus d'après l'analyse symbolique effectuée. On y retrouve le déséquilibre des fournisseurs si certaines informations ne sont pas transmises ainsi que la dépendance de l'équilibre des producteurs et fournisseurs au surplus de production. Ce cas montre également qu'une production dimensionnée pour répondre aux besoins de l'opération crée moins d'écarts pour les acteurs qu'une centrale surdimensionnée. Par ailleurs, on note un déséquilibre plus important pour le producteur lorsqu'il participe à l'opération. Ceci n'est pas l'objectif du mécanisme, qui devrait plutôt réduire les écarts.L'approche symbolique, qui pourra permettre d'analyser simplement la conception et la pertinence de futurs mécanismes est une approche originale, comme le montre l'état de l'art sur la modélisation du système électrique. En effet, les outils de modélisation existants intègrent bien la notion d'équilibre du réseau sous certains aspects mais ne tiennent pas compte de l'ensemble des aspects liés à l'équilibre 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 l'équilibre du réseau.

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.