Sub-differentiability in Convex and Stochastic Optimization Applied to Renewable Power Systems
Description
Inserting renewable power systems in the electric grid is a key challenge of the energy transition. However, such systems introduce new engineering problems, due to the erratic behavior of renewable energy sources. In this thesis, we study how techniques from convex and stochastic optimization can be applied, and extended, to address some of these problems. The manuscript is divided in two parts. In the first part, Convex and stochastic optimization for renewable power systems, we focus on techniques for designing and assessing energy management systems. We start with a benchmark of optimal control methods for managing a prosumer microgrid, and we highlight, on a large testbed, the potential gains of methods based on stochastic dynamic programming. Then, in a more theoretical chapter, we investigate the differentiability properties of parametric value functions, introduced for solving a class of multistage stochastic optimization problems parametrized by an upstream decision. Lastly, we apply our previous results to the management of a photovoltaic power plant constrained by day-ahead commitment rules. We showcase significant gains compared to state-of-the-art techniques. In the second part, Numerical methods in generalized convexity, we study potential applications of the so-called one-sided linear couplings - a class that encompasses the Fenchel coupling of (standard) convex analysis. We start by extending the mirror descent algorithm. Then, turning to the Capra (constant along primal rays) coupling as a particular case, we provide explicit formulations for the Capra sub-differential of the l0 pseudonorm. Lastly, we discuss the difficulties that arise when trying to use Capra convexity to solve sparse optimization problems. Although we do not directly address energy problems, we contribute to an original viewpoint on sparse optimization, whose applications in statistics and signal processing have a huge impact on all engineering fields. (author)
Abstract (French)
L'insertion des energies renouvelables dans les reseaux electriques est un defi majeur de la transition energetique. Cependant, avec les sources d'energie renouvelable viennent aussi de nouveaux problemes d'ingenierie, notamment dus a leur comportement aleatoire. Dans cette these, nous etudions comment des techniques issues de l'optimisation convexe et stochastique peuvent etre appliquees, et etendues, pour resoudre certains de ces problemes. Le document est organise en deux parties. Dans la premiere partie, Optimisation convexe et stochastique pour integrer l'energie electrique renouvelable, nous nous concentrons sur des techniques pour concevoir et evaluer des algorithmes de pilotage de micro-reseaux electriques. Nous commencons avec un benchmark de methodes issues du controle optimal, appliquees au pilotage d'un micro-reseau alliant production et consommation d'energie. Nous montrons que les methodes concues a partir de la programmation dynamique stochastique permettent des gains importants, sur la base de simulations sur une large collection de donnees de terrain. Ensuite, dans un chapitre plus theorique, nous etudions la differentiabilite des fonctions valeur parametriques, introduites pour la resolution de problemes d'optimisation stochastique a plusieurs pas de temps, et parametrees par une decision amont. Enfin, nous appliquons les resultats obtenus au pilotage d'une centrale photovoltaique soumise a des regles d'engagement de puissance la veille. Nous obtenons des gains consequents par rapport aux autres methodes de la litterature consacrees au meme probleme. Dans la seconde partie, Methodes numeriques en convexite generalisee, nous etudions les applications potentielles des fonctions de couplages dites 'one-sided linear' - une classe de couplages qui comprend la forme bilineaire employee en optimisation convexe (au sens classique). Nous commencons par etendre l'algorithme de mirror descent. Ensuite, nous nous interessons a l'exemple particulier du couplage Capra (constant along primal rays) et calculons des formes explicites du Capra sous-differentiel de la pseudo-norme l0. Enfin, nous discutons des difficultes rencontrees pour appliquer la Capra convexite a la resolution de problemes d'optimisation parcimonieux. Bien que nous ne resolvions pas directement des problemes d'ingenierie lies a la gestion de l'energie, notre contribution reside en un nouveau point de vue original sur l'optimisation parcimonieuse, omnipresente en statistique et en traitement du signal en grande dimension, et qui concerne donc un vaste champ d'applications. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Sous-differentiabilite en optimisation convexe et stochastique appliquee a l'integration d'energie electrique renouvelable
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 175 p.
- Report number
- FRNC-TH--14910
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54107188
- Subject category
- S24: POWER TRANSMISSION AND DISTRIBUTION; S14: SOLAR ENERGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; COMPUTERIZED SIMULATION; CONVEX MANIFOLDS; DYNAMIC PROGRAMMING; ENERGY STORAGE; LOAD MANAGEMENT; OPTIMIZATION; PARAMETRIC ANALYSIS; PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS; POWER DISTRIBUTION SYSTEMS; RENEWABLE ENERGY SOURCES; STOCHASTIC PROCESSES
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; ENERGY SOURCES; MANAGEMENT; MATHEMATICAL LOGIC; MATHEMATICAL MANIFOLDS; POWER PLANTS; SIMULATION; SOLAR POWER PLANTS; STORAGE
Optional Information
- Notes
- 101 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses