Méthodes d'Optimisation et de Théorie des Jeux Appliquées aux Systèmes Électriques Décentralisés

Game theory and Optimization Methods for Decentralized Electric Systems Dans le contexte de transition vers un système électrique décentralisé et intelligent, nous abordons le problème de la gestion des flexibilités de consommation électriques. Nous développons différentes méthodes basées sur l'optimisation distribuée et la théorie des jeux.Nous commençons par adopter le point de vue d'un opérateur central en charge de la gestion des flexibilités de plusieurs agents. Nous présentons un algorithme distribué permettant le calcul des profils de consommations des agents optimaux pour l'opérateur.Cet algorithme garantit la confidentialité des agents~: les contraintes individuelles, ainsi que le profil individuel de consommation de chaque agent, ne sont jamais révélés à l'opérateur ni aux autres agents.Ensuite, nous adoptons dans un second modèle une vision plus décentralisée et considérons un cadre de théorie des jeux pour la gestion des flexibilités de consommation.Cette approche nous permet en particulier de modéliser les comportements stratégiques des consommateurs.Dans ce cadre, une classe de jeux adéquate est donnée par les jeux de congestion atomiques fractionnables.Nous obtenons plusieurs résultats théoriques concernant les équilibres de Nash dans cette classe de jeux, et nous quantifions l'efficacité de ces équilibres en établissant des bornes supérieures sur le prix de l'anarchie.Nous traitons la question du calcul décentralisé des équilibres de Nash dans ce contexte en étudiant les conditions et les vitesses de convergence des algorithmes de meilleure réponse et de gradient projeté.En pratique un opérateur peut faire face à un très grand nombre de joueurs, et calculer les équilibres d'un jeu de congestion dans ce cas est difficile.Afin de traiter ce problème, nous établissons des résultats sur l'approximation d'un équilibre dans les jeux de congestion et jeux agrégatifs avec un très grand nombre de joueurs et en présence de contraintes couplantes.Ces résultats, obtenus dans le cadre des inégalités variationnelles et sous certaines hypothèses de monotonie, peuvent être utilisés pour calculer un équilibre approché comme solution d'un problème de petite dimension.Toujours dans la perspective de modéliser un très grand nombre d'agents, nous considérons des jeux de congestion nonatomiques avec contraintes couplantes et avec une infinité de joueurs hétérogènes~: ce type de jeux apparaît lorsque les caractéristiques d'une population sont décrites par une fonction de distribution paramétrique.Sous certaines hypothèses de monotonie, nous prouvons que les équilibres de Wardrop de ces jeux, définis comme solutions d'une inégalité variationnelle de dimension infinie, peuvent être approchés par des équilibres de Wardrop symétriques de jeux annexes, solutions d'inégalités variationnelles de petite dimension.Enfin, nous considérons un modèle de jeu pour l'étude d'échanges d'électricité pair-à-pair au sein d'une communauté de consommateurs possédant des actifs de production électrique renouvelable.Nous étudions les équilibres généralisés du jeu obtenu, qui caractérisent les échanges possibles d'énergie et les consommations individuelles.Nous comparons ces équilibres avec la solution centralisée minimisant le coût social, et nous évaluons l'efficacité des équilibres via la notion de prix de l'anarchie.