Marchés pair-à-pair de l’électricité dans les réseaux électriques

Peer-to-peer electricity markets in power systems

• Auteur / Autrice : Thomas Baroche
• Direction : Hamid Ben Ahmed, Pierre Patrick Pinson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, électrotechnique et automatique
• Date : Soutenance le 30/10/2020
• Etablissement(s) : Rennes, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Université de Rennes - École normale supérieure - Rennes - Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie - Systèmes d'Energie pour les Transports et l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Bruno François
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Cornelusse, Roman Le Goff Latimier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Caire, Gabriela Hug

Mots clés

Mots clés libres

Marché pair-À-Pair

Flux optimal de puissance

Répartition de puissance

Marché de l'énergie

Marché de capacités

Admm

Peer-To-Peer Markets

Optimal Power Flow

Economic Dispatch

Energy Market

Capacity Market

Admm

Résumé

Le déploiement de ressources énergétiques distribuées, combiné à une gestion plus pro-active de la demande et à l'intégration de systèmes de gestion d'énergie, fait entrer l'exploitation des systèmes électriques et des marchés de l'électricité dans un nouveau paradigme. En partie liés à leur structure décentralisée, les marchés dits pair-à-pair ont gagné un intérêt considérable. Les marchés pair-à-pair reposent sur des négociations bilatérales entre les agents pour faire correspondre l'offre et la demande. De plus, ils peuvent cartographier l’ensemble des échanges possibles, ce qui permet de repenser ces interactions avec le réseau.Ces travaux de thèse traitent de trois défis majeurs dont la résolution est essentielle avant d'envisager le passage à des applications réelles : (i) le passage à l'échelle pour gérer un nombre croissant d'acteurs et de ressources distribués, (ii) le respect des contraintes du réseau électrique, et (iii) la résilience du marché à la présence d'agents stochastiques. Une analyse de complexité a permis de montrer que le passage à l’échelle des marchés pair-à-pair et le mécanisme de résolution peut être renforcé par trois améliorations réduisant les complexités algorithmiques et structurelles. Pour le respect des contraintes réseau, le manuscrit propose d’introduire des redevances qui seraient liées à l’utilisation du réseau électrique. Deux approches sont considérées pour déterminer ces redevances réseau. La première, exogène, exige que le gestionnaire de réseau les fournisse a priori avant le début des négociations. Dans la seconde, le gestionnaire de réseau actualise les redevances réseau de manière endogène à chaque itération pour mieux tenir compte de l'état actuel du réseau. Enfin, les prévisions de production et de consommation des agents stochastiques sont mieux prises en compte par la création d’un marché pair-à-pair de l'énergie et des capacités de réserve, pour corriger un éventuel déséquilibre de puissance due à des erreurs de prévision.

The deployment of distributed energy resources, combined with a more proactive demand side management and energy management systems, is inducing a new paradigm in power system operation and electricity markets. Within a consumercentric market framework, peer-to-peer approaches have gained substantial interest. Peer-to-peer markets rely on multi-bilateral negotiation among all agents to match supply and demand. These markets can yield a complete mapping of exchanges onto the grid, hence allowing to rethink market–grid interactions.This thesis treats three main challenges which needs to be overcome before considering real world implementations: (i) scalability to host a growing number of distributed users and resources, (ii) compatibility with grid constraints, and (iii) resilience to stochastic power injections. After a complexity analysis, scalability of peer-topeer markets and the proposed negotiation mechanism to solve them is enhanced by three improvements reducing algorithmic and structural complexities. Feasibility of the peer-to-peer electricity market is eventually obtained with the use of network charges. Two approaches are proposed to handle these network charges. The first, exogenous, requires the system operator to provide them a priori before negotiations start. In the second, the system operator updates network charges endogenously at each iteration to better account for the current grid status. Finally, power forecasts of stochastic agents are taken in a more comprehensive way by the developpement of peer-to-peer market on both energy and capacities, used to restore power balance in case of misdipatch due to forecast errors.