THÈSE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LA COMMUNAUTÉ UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Préparée dans le cadre d’une cotutelle entre la Communauté Université Grenoble Alpes et L’Université de Technologie et de Sciences Appliquées Libano-Française Spécialité : Automatique - Productique Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Khaled HAJAR Thèse dirigée par Seddik BACHA et Ahmad ELRAFHI préparée au sein du GIPSA-Lab dans EEATS et du PREAA de l’ULF Coopérative énergétique intelligente Thèse soutenue publiquement le 4 juillet 2017, devant le jury composé de : Mr Franck BETIN Professeur, Université de Picardie Jules Verne, Président Mr Cristian NICHITA Université du Havre, Rapporteur Mr Ionel VECHIU Professeur, Ecole Supérieure des Technologies Industrielles Avancées, Rapporteur Mr Quoc Tuan TRAN Responsable scientifique, CEA-INES, Examinateur Mr Seddik BACHA Professeur, Communauté Universitaire Grenoble Alpes, Directeur de thèse Mr Ahmad ELRAFHI Professeur,Université de technologie et de sciences appliquées Libano-Française, Directeur de thèse Mr Ahmad HABLY Professeur, Communauté Universitaire Grenoble Alpes, Invité Mr Maher RAFEI Maître de conférence, Université Libanaise - Faculté de génie, Invité Remerciements "Soyons reconnaissants aux personnes qui nous donnent du bonheur; elles sont les charmants jardiniers." Marcel Proust Ce travail de recherche est le fruit d’une convention en cotutelle entre l’Univer- sité Grenoble Alpes de et l’Université de Technologie et de sciences appliquées libano-française. La présente étude a été réalisée au sein du laboratoire Gre- noble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-Lab) à Grenoble-inp du coté français et au Pôle de Recherche Électronique Électrotechnique Automatique (PREEA) à l’ULF-Tripoli du coté libanais. "La valeur d’un homme tient dans sa capacité à donner et non dans sa capacité à recevoir." Albert Einstein J’aimerais tout d’abord remercier mon directeur de thèse, Seddik BACHA, pour la confiance qu’il m’a témoignée en acceptant la direction scientifique de mes travaux. Il fut pour moi un directeur de thèse attentif et disponible malgré ses nombreuses charges. Sa compétence, sa rigueur scientifique et sa clairvoyance m’ont beaucoup appris. Ils ont été et resteront des moteurs de mon travail de chercheur. Nonobstant, sa relecture finale méticuleuse de cha- cun des chapitres m’a sans aucun doute permis de préciser mon propos. J’exprime tous mes remerciements à Ahmad HABLY. Je lui suis reconnais- sant de m’avoir fait bénéficier tout au long de ce travail de sa grande com- pétence, de sa rigueur intellectuelle, de son dynamisme, et de son efficacité certaine que je n’oublierai jamais. Je vous suis profondément reconnaissant aussi pour ce que vous avez fait pour moi et de m’avoir apporté la rigueur scientifique nécessaire au bon déroulement de cette thèse et les liens d’amitié i ii que vous savez agréablement tisser. Une chose est sure : je n’oublierais jamais. Soyez assuré de mon attachement et de ma profonde gratitude. Je remercie aussi le doyen de l’université de technologie et de sciences ap- pliquées libano-française (ULF), directeur de thèse, Ahmad ELRAFHI, pour son soutien dès ma première année universitaire au Liban. Il a cru en moi, m’a soutenu dans mon cursus universitaire en France, spécialement l’oppor- tunité de m’intégrer dans un équipe d’étude à EDF pendant trois ans puis jusqu’au présent en m’encourageant pour avoir cette thèse tout en offrant un support à l’ULF, de plus pour m’avoir appris à être moins « bon élève » et plus autonome tout au long de mon cursus universitaire et personnel. Je suis très honoré à remercier de la présence à mon jury de thèse et je tiens à remercier : Monsieur Frank BETIN, professeur à l’université de Picardie Jules Verne, pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant d’être examinateur et président de mon jury de thèse. Je tiens à l’assurer de ma profonde reconnaissance pour l’intérêt qu’il porte à ce travail. Monsieur Cristian NICHITA, Professeur à l’université du Havre, pour l’honneur qu’il m’a fait pour sa participation à mon jury de thèse en qua- lité de rapporteur de mon travail, pour le temps consacré à la lecture de cette thèse, et pour les suggestions et les remarques judicieuses qu’il m’a indiquées. Monsieur Ionel VECHIU, professeur à l’Ecole Supérieure des Technologies Industrielles Avancées à Bidart, pour sa participation à mon jury de thèse en qualité de rapporteur de mon travail et pour toutes remarques intéressantes qu’il m’a faites. Monsieur Quoc Tuan TRAN, Responsable scientifique au CEA-INES, d’avoir accepté de faire partie du jury de cette thèse. Je le remercie pour les conseils scientifiques qu’il a apportés en qualité d’examinateur. Je le re- mercie pour le temps consacré à la lecture de ce travail ainsi que pour les commentaires m’ayant permis de l’améliorer. iii Monsieur Maher ELRAFHI, Maître de conférence, à l’Université Libanaise - Faculté de génie –Tripoli Liban, qui a accepté d’être invité parmi les membres de jury, pour les discussions et les remarques données. Le seul moyen de se délivrer d’une tentation, c’est d’y céder paraît-il! Alors j’y cède en disant en grand Merci aux personnes qui ont cru en moi et qui m’ont permis d’arriver au bout de cette thèse. A tous ceux qui n’ont pas été nominalement ou formellement mentionnés dans ces pages, mais qui ont contribué directement ou indirectement à la réalisation de cette thèse, je les remercie. "L’amitié est l’union des âmes dont la vertu est le lien." Guillaume Penn C’est avec un immense plaisir que je t’écris ce paragraphe cher ami Mazhar NIGRO. Les efforts que tu as fait pour moi, le temps que tu m’as donné, les conseils avisés qui éclaireront mon chemin... Mes remerciements ne pourront jamais égaler ton grand cœur qui m’a apporté du soutien au moment où j’avais besoin d’aide, je ne pourrais jamais te remercier à la hauteur de ce que tu m’as donné. Tu as toujours été un cadeau dans ma vie, mon cœur de cesse de te remercier, te remercier, te remercier, te remercier.... Cher ami Mazhar et chère amie Maya, votre bienveillance à mon égard m’a énormément touché. Je vous remercie vivement pour la chaleur et la sincérité de votre accueil ainsi que pour toutes les attentions que vous avez eues pour que je me sente bien. J’espère que ma présence n’a pas été trop pesante pour vous et que je ne vous ai pas trop envahi ni occasionné trop de dérangement. "Une femme qu’on aime est toute une famille." Victor Hugo . iv Une place à part de cette thèse, a été occupée par ma femme, Rania. Elle est celle qui m’a soutenu sans conditions, qui a accepté et n’a pas hésité à faire des sacrifices pour me soutenir. Elle est celle qui a su être très discrète mais aussi a su assumer toutes le charges de notre famille pendant mon absence. Pour toutes ces choses je la remercie. "Celui à qui il plaît qu’on lui allonge la vie et qu’on augmente sa subsistance qu’il se comporte avec ses parents avec piété et qu’il lie ses liens de parenté" Prophète Mohamad Enfin, les mots les plus simples étant les plus forts, j’adresse toute mon affec- tion à ma famille, et en particulier à ma maman qui m’a fait comprendre que la vie n’est pas faite que de problèmes qu’on pourrait résoudre grâce à des formules mathématiques et des algorithmes. Malgré mon éloignement depuis de (trop) nombreuses années, leur intelligence, leur confiance, leur tendresse, leur amour me portent et me guident tous les jours. Merci pour avoir fait de moi ce que je suis aujourd’hui. Est-ce un bon endroit pour dire ce genre de choses? Je n’en connais en tous cas pas de mauvais. Je vous aime. Une pensée pour terminer ces remerciements pour toi qui n’a pas vu l’abou- tissement de mon travail mais je sais que tu en aurais été très fier de ton fils!!! A mon père le plus chère au monde. Table des matières Introduction 1 1 Problématique 5 1.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Cas Libanais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Réhabilitation du réseau libanais . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Historique du réseau intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 La notion du microréseau 13 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Définition du microréseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Structure du microréseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4 Conduite du microréseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.1 Architecture du contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.2 Méthode de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.2.1 Commande centralisée . . . . . . . . . . . . 24 2.4.2.2 Commande décentralisée . . . . . . . . . . . 25 2.4.3 Niveau de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.3.1 Contrôle primaire . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.3.2 Contrôle secondaire . . . . . . . . . . . . . . 28 v vi Table des matières 2.4.3.3 Contrôle tertiaire . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 Modélisation du microréseau et ses composants 31 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.1 AC vs DC microréseau . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 Composants générateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.1 Le photovoltaique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.1.2 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.1.3 Dimensionnement du système photovoltaïque 44 3.3.2 L’éolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3.2.2 Les types de machines électriques . . . . . . 46 3.3.2.3 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.3 Groupe électrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.3.2 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4 Stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.4.1 Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.5 Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Table des matières vii 3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4 Optimisation locale d’un microréseau au Liban 65 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.3 Configuration du microréseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.3.1 Les composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3.1.1 Le photovoltaique . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3.1.2 L’éolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3.1.3 Le groupe électrogène . . . . . . . . . . . . . 72 4.3.1.4 La charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.3.1.5 La batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.4 Optimisation à base des règles prédéfinies . . . . . . . . . . . 74 4.4.1 Principe de la méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.5 Optimisation génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.6 Application sur un cas au Liban . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6.1 Réseaux étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6.2 Problème d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6.3 Contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.7 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5 Gestion énergétique centralisée d’un groupe de microréseau 89 viii Table des matières 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.2 Éléments du microréseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3 Interactions entre microréseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.3.1 L’algorithme de la commande prédictive . . . . . . . . 92 5.3.2 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.3.3 Problème d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.3.4 Contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.3.5 Valeurs numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.4 Résultats de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.4.1 Discussion des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Conclusion 105 Bibliographie 112