FR3109847A1 - Système et procédé de gestion d’énergie - Google Patents
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Abstract
Système et procédé de gestion d’énergie La présente description concerne un dispositif de gestion d’énergie (DR BOX) agencé pour : générer, sur la base d’au moins un état de charge d’une ou plusieurs batteries, une consigne de puissance de batterie indiquant une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries (110) et/ou à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ; générer une limite de consigne de puissance de batterie sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance du site client (102) ; comparer la consigne de puissance de batterie à la limite de consigne de puissance de batterie ; et si la consigne de puissance de batterie dépasse la limite de consigne de puissance de batterie, réduire la consigne de puissance de batterie à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de batterie. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente description concerne de façon générale le domaine des dispositifs et systèmes électroniques de gestion d’énergie, et en particulier un dispositif, un système et un procédé de gestion d’énergie au niveau d’un ou plusieurs sites.
Une difficulté à laquelle doivent faire face de manière récurrente les réseaux d’alimentation électrique est d’équilibrer, à tout instant, l’offre et la demande afin d’éviter une surcharge du réseau qui pourrait conduire à des pannes de courant générales.
Au cours de ces dernières années, il y a eu des incitations financières pour que des sites ayant des niveaux de consommation d’énergie électrique relativement élevés acceptent de limiter l’énergie qu’ils tirent du réseau aux heures de pointe. Cela permet par exemple aux sites d’obtenir un prix plus compétitif pour l’énergie électrique qu’ils achètent.
Certains sites peuvent avoir des besoins en énergie relativement souples, ce qui leur permet d’accepter des réductions temporaires de l’énergie qu’ils demandent au réseau.
Pour d’autres sites ayant moins de souplesse, une solution peut être d’installer une batterie à forte capacité au niveau du site qui peut être chargée à partir du réseau électrique pendant les périodes de faible demande, et qui peut être utilisée pour compléter l’énergie fournie par le réseau pendant les périodes de forte demande.
Il y a toutefois une difficulté technique pour gérer, en temps réel ou proche du temps réel, l’énergie consommée par de tels sites. Il existe donc un besoin dans la technique d’une solution et d’un procédé de gestion d’énergie qui soient relativement d’un faible coût et ayant des temps de réponse relativement rapides.
Un objet de modes de réalisation de la présente description est de répondre au moins partiellement à un ou plusieurs besoins de l’art antérieur.
Selon un aspect, on prévoit un dispositif de gestion d’énergie agencé pour : générer, sur la base d’au moins un état de charge d’une ou plusieurs batteries agencées pour stocker de l’énergie électrique au niveau d’un site client d’un réseau électrique, une consigne de puissance de batterie indiquant une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries et/ou à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ; générer une limite de consigne de puissance de batterie sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance du site client ; comparer la consigne de puissance de batterie à la limite de consigne de puissance de batterie ; si la consigne de puissance de batterie dépasse la limite de consigne de puissance de batterie, réduire la consigne de puissance de batterie à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de batterie ; et appliquer la consigne de puissance de batterie auxdites une ou plusieurs batteries.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de gestion d’énergie est agencé pour générer la limite de consigne de puissance de batterie Plim_sp sur la base d’une puissance réactive Qsite consommée par le site, d’une puissance active Pind d’une ou plusieurs charges du site, et d’une limite de puissance apparente globale S_lim du site.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de gestion d’énergie est agencé pour générer la limite de consigne de puissance de batterie sur la base de l’équation suivante :
Selon un mode de réalisation, le site comprend au moins un générateur d’énergie électrique, et le dispositif de gestion d’énergie est agencé pour générer la limite de consigne de puissance de batterie aussi en fonction de la puissance générée par le générateur d’énergie électrique.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de gestion d’énergie est agencé pour générer la consigne de puissance de batterie sur la base d’un niveau de demande sur le réseau électrique.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de gestion d’énergie est agencé pour détecter le niveau de déséquilibre de puissance sur le réseau électrique en détectant un écart de fréquence d’une tension AC fournie par le réseau électrique au site client.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de gestion d’énergie est agencé pour détecter le niveau de consommation de puissance du site client en lisant au moins un dispositif de mesure d’électricité au niveau du site client.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de gestion d’énergie est en outre agencé pour générer la consigne de puissance de batterie sur la base d’une opération programmée de charge ou de décharge de batterie.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de gestion d’énergie est en outre agencé pour communiquer avec un système central afin de recevoir des données de programmation concernant l’opération programmée de charge ou de décharge de batterie.
Selon un mode de réalisation, la consigne de puissance de batterie indique une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries et la limite de consigne de puissance de batterie est une limite de consigne de puissance de charge de batterie, et le dispositif de gestion d’énergie est en outre agencé pour : générer, sur la base d’au moins un état de charge desdites une ou plusieurs batteries, une autre consigne de puissance de batterie indiquant une quantité de puissance à transférer à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ; générer une limite de consigne de puissance de décharge de batterie sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance du site client ; comparer la consigne de puissance de batterie à la limite de consigne de puissance de décharge de batterie ; si la consigne de puissance de batterie dépasse la limite de consigne de puissance de décharge de batterie, réduire la consigne de puissance de batterie à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de décharge de batterie ; et appliquer la consigne de puissance de batterie auxdites une ou plusieurs batteries.
Selon un autre aspect, on prévoit un système de gestion d’énergie, comprenant : un système central ; et une pluralité de sites clients, chaque site client comprenant le dispositif de gestion d’énergie susmentionné, le système central étant agencé pour communiquer avec chacun des dispositifs de gestion d’énergie.
Selon un mode de réalisation, le système central comprend : un système de commande et d’acquisition de données ; et un système de gestion de ressources distribuées en communication avec le système de commande et d’acquisition de données.
Selon encore un autre aspect, on prévoit un procédé de gestion d’énergie comprenant : générer, par un dispositif de gestion d’énergie, sur la base d’au moins un état de charge d’une ou plusieurs batteries agencées pour stocker de l’énergie électrique au niveau d’un site client d’un réseau électrique, une consigne de puissance de batterie indiquant une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries et/ou à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ; générer, par le dispositif de gestion d’énergie, une limite de consigne de puissance de batterie sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance du site client ; comparer, par le dispositif de gestion d’énergie, la consigne de puissance de batterie à la limite de consigne de puissance de batterie ; si la consigne de puissance de batterie dépasse la limite de consigne de puissance de batterie, réduire, par le dispositif de gestion d’énergie, la consigne de puissance de batterie à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de batterie ; et appliquer, par le dispositif de gestion d’énergie, la consigne de puissance de batterie auxdites une ou plusieurs batteries.
Selon un mode de réalisation, la consigne de puissance de batterie indique une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries et la limite de consigne de puissance de batterie est une limite de consigne de puissance de charge de batterie, et le procédé comprend en outre : générer, sur la base d’au moins un état de charge desdites une ou plusieurs batteries, une autre consigne de puissance de batterie indiquant une quantité de puissance à transférer à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ; générer une limite de consigne de puissance de décharge de batterie sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance du site client ; comparer la consigne de puissance de batterie à la limite de consigne de puissance de décharge de batterie ; si la consigne de puissance de batterie dépasse la limite de consigne de puissance de décharge de batterie, réduire la consigne de puissance de batterie à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de décharge de batterie ; et appliquer la consigne de puissance de batterie auxdites une ou plusieurs batteries.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d’autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
Sauf précision contraire, lorsque l’on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l’on fait référence à deux éléments couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l’intermédiaire d’un ou plusieurs autres éléments.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l’ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
La figure 1 est un schéma blocs illustrant un système de fourniture d’énergie 100 selon un exemple de réalisation de la présente description.
Dans l’exemple de la figure 1, le système de fourniture d’énergie 100 comprend deux sites clients 102, 104, un système central de gestion d’énergie 106, un serveur de marchés (MARKETS) 107 et un serveur d’opérateur de réseau électrique (POWER GRID OPERATOR) 108.
Un site client dans le système de fourniture d’énergie 100 correspond à un site qui comprend des charges électriques et/ou un stockage d’électricité, de l’énergie électrique étant transférée vers le site client à partir du réseau électrique et/ou à partir du site client vers le réseau électrique. Par exemple, un ou plusieurs contrats de fourniture d’énergie sont en place impliquant les sites clients 102, 104 et des opérateurs du réseau électrique, établissant une relation commerciale entre les entités. Bien que deux sites clients 102, 104 soient illustrés dans le mode de réalisation de la figure 1, dans des variantes de réalisation il peut y avoir un nombre quelconque de sites clients gérés par le système central de gestion d’énergie 106.
Chacun des sites clients 102, 104 comprend des ressources d’énergie électrique flexibles, en d’autres termes des charges électriques et/ou un stockage d’énergie électrique qui peuvent être adaptés pour répondre à des besoins courants et futurs.
Dans l’exemple de la figure 1, le site client 102 comprend un stockage d’énergie électrique et des charges électriques, et le site client 104 comprend un générateur d’énergie électrique et des charges électriques. Toutefois, il serait aussi possible qu’un site comprenne à la fois un stockage d’énergie électrique et des générateurs électriques, en plus de charges électriques, et pour certains sites qu’ils comprennent seulement des charges électriques, des générateurs ou un stockage.
Par exemple, le site client 102 comprend un banc de batteries à haute capacité 110 qui peut par exemple recevoir en entrée et fournir en sortie jusqu’à 10 MW d’énergie électrique, et par exemple a une capacité de stockage comprise entre 10 kWh et 20 MWh ou plus. Le banc de batteries 110 est par exemple couplé par l’intermédiaire d’un système de gestion de batterie (BMS) 112 à une interface de surveillance et de commande sur site (DR BOX) 114, qui sera appelée dans la suite boîte de demande réponse (DR), ou simplement boîte DR. La boîte DR 114 est par exemple un contrôleur logique programmable (PLC), et est aussi par exemple agencée pour mettre en œuvre une gestion d’énergie, de manière similaire au rôle d’un système de gestion d’énergie (EMS).
Le site client 102 comprend aussi par exemple une ou plusieurs charges électriques 118, représentées par une usine dans l’exemple de la figure 1, couplées à la boîte DR 114 par l’intermédiaire d’un ou plusieurs contrôleurs logiques programmables (PLC) 120. Par exemple, les charges électriques 118 correspondent à des charges industrielles, comme des charges correspondant à des machines électriques, à de l’éclairage, à des fours industriels ou d’autres formes de systèmes de chauffage, à des systèmes de refroidissement comme des systèmes de réfrigération et/ou de climatisation, et/ou d’autres formes de charges consommant de l’énergie électrique. Par exemple, lesdites une ou plusieurs charges électriques 118 ont une consommation maximum combinée comprise entre 100 kW et 400 MW ou plus. Toutefois, dans certains modes de réalisation, il y a une certaine souplesse dans le niveau de puissance électrique consommée par le site 104. Par exemple, la consommation peut être réduite par rapport au niveau de consommation maximum d’au moins 50 kW, et dans certains modes de réalisation de jusqu’à des dizaines de mégawatts ou plus.
La boîte DR 114 est par exemple couplée à un ou plusieurs dispositifs de mesure sur site (METER(S)) 116 pour surveiller les puissances actives et réactives pour une seule et/ou pour les trois phases, et/ou d’autres propriétés électriques. Par exemple, les dispositifs de mesure sur site 116 comprennent un ou plusieurs dispositifs de mesure électriques surveillant le courant électrique fourni au site et/ou reçu du site, et un ou plusieurs dispositifs de mesure électriques surveillant le courant électrique fourni au banc de batteries 110 ou reçu de celui-ci, un ou plusieurs dispositifs de mesure électriques surveillant des phases des signaux électriques, et un ou plusieurs fréquencemètres AC (courant alternatif) surveillant la fréquence des tensions d’alimentation électriques présentes sur le réseau électrique, telles que vues par le site 102. D’autres propriétés qui peuvent être mesurées comprennent l’énergie électrique et le facteur de puissance. La boîte DR 114 est par exemple agencée pour recueillir des données de mesure à partir de ces dispositifs de mesure 116. En outre, la boîte DR 114 est par exemple agencée pour assurer l’interface de communication entre le site client 102 et le système central de gestion 106.
La boîte DR 114 est par exemple capable de communiquer avec le système central de gestion d’énergie 106, et dans certains cas avec des équipements clients, par l’intermédiaire du réseau Internet. Par exemple, bien que cela ne soit pas illustré en figure 1, la connexion entre la boîte DR 114 et le réseau Internet se fait soit par l’intermédiaire d’un réseau de communication commuté, comme par l’intermédiaire d’un modem ADSL (ligne d’abonné numérique asymétrique), soit par l’intermédiaire d’une connexion sans fil, par exemple comprenant un réseau de communication cellulaire.
Le site client 104 comprend par exemple une boîte DR 114 et un ou plusieurs dispositifs de mesure 116 qui jouent un rôle similaire à ceux du site client 102, et qui ne seront pas décrits de nouveau en détail. Le site client 104 comprend aussi par exemple une ou plusieurs charges électriques 118, qui sont par exemple similaires aux charges 118 du site client 102, et qui sont couplées à la boîte DR 114 par l’intermédiaire d’un ou plusieurs PLC 120. En outre, dans l’exemple de la figure 1, le site client 104 comprend un ou plusieurs générateurs d’énergie électrique (POWER GENERATOR) 122, qui sont par exemple des générateurs photovoltaïques, des turbines éoliennes, des groupes électrogènes ou d’autres types de générateurs d’énergie.
Bien que dans l’exemple de la figure 1 une seule boîte DR 114 soient prévues pour chaque site 102, 104, dans des variantes de réalisation certains sites pourraient comprendre plusieurs boîtes DR 114.
Le système de gestion central 106 comprend par exemple un système de commande et d’acquisition de données 128, qui est par exemple un système de commande de supervision et d’acquisition de données (SCADA), responsable de la réception de données à partir de chacune des boîtes DR 114, et est destiné à fournir des signaux de commande aux sites clients 102, 104 par l’intermédiaire des boîtes DR 114. En particulier, le SCADA 128 est par exemple responsable de la transmission de signaux de commande vers les boîtes DR des sites clients 102, 104 afin de contrôler la puissance électrique fournie au site ou reçue du site, et/ou la puissance électrique appliquée au banc de batteries 110 ou reçue de celui-ci. En outre, le SCADA 128 est par exemple responsable de l’acquisition et du stockage de mesures de données provenant des sites 102, 104, et aussi d’informations concernant l’état des sites, comme l’état de charge du banc de batteries 110 dans le cas où le site comprend une batterie.
Le système central de gestion d’énergie 106 comprend aussi par exemple un système de gestion de ressources d’énergie distribuées (DERMS) 130, qui est par exemple une plateforme informatique agencée pour organiser des opérations de ressources en relation avec les charges ou les batteries des divers sites clients du système 100. Le DERMS 130 fournit aussi par exemple une interface avec le serveur de marchés 107, et avec le serveur d’opérateur de réseau électrique 108.
Par exemple, le serveur de marchés 107 fournit des informations sur les prix de l’électricité pour des périodes courantes et/ou futures, et aussi des informations sur des activations demandées par l’opérateur de système 108.
Le serveur d’opérateur de réseau électrique 108 correspond par exemple à une plateforme informatique d’un opérateur du réseau électrique fournissant l’électricité aux sites clients. En Europe, l’opérateur de réseau électrique correspond par exemple à l’opérateur de système de transmission (TSO) (appelé en français "gestionnaire du réseau de transport - GRT), et/ou à l’opérateur de système distribué (DSO). Par exemple, le serveur d’opérateur de réseau électrique 108 fournit des ordres d’activation au DERMS 130, et le DERMS 130 fournit des données de commande, comme des données de surveillance et/ou des états de charges, au serveur d’opérateur de réseau électrique 108.
Le DERMS 130 est par exemple agencé pour déterminer comment l’utilisation d’énergie au niveau des sites clients peut être adaptée au vu des prix de l’électricité pour des périodes courantes et/ou futures afin de réduire les coûts d’énergie et/ou de générer des revenus au niveau des sites client, par exemple par des réductions dans les charges de matière première ou en équilibrant des services dans le réseau. Par exemple, le DERMS 130 est agencé pour transmettre des signaux de commande aux sites clients indiquant des périodes pendant lesquelles la charge du banc de batteries 110 à partir du réseau électrique doit être mise en priorité, par exemple, en raison de prix de l’électricité relativement bas, et des périodes pendant lesquelles une décharge du banc de batteries 110 vers le réseau électrique doit être mise en priorité, par exemple en raison de prix de l’électricité relativement élevés.
La figure 2 est un schéma à une seule ligne illustrant un circuit d’alimentation électrique 200 d’un site client comprenant à la fois des charges et un stockage d’énergie électrique selon un exemple de réalisation de la présente description.
Une alimentation à haute tension (HV SUPPLY) provenant du réseau électrique est par exemple appliquée au niveau d’un nœud d’entrée 202, et est couplée par l’intermédiaire d’un commutateur 204 à une barre 206. La barre 206 est à son tour couplée par l’intermédiaire d’un disjoncteur 208 à une autre barre 210, qui est utilisée pour alimenter les charges et un système de batterie (BATTERY SYSTEM) 211. Le disjoncteur 208 est par exemple motorisé (M), ce qui lui permet d’être commandé à distance.
Dans l’exemple de la figure 2, il y a deux groupes de charges, les charges du secteur 1 (LOADS SECTOR 1) et les charges du secteur 2 (LOADS SECTOR 2).
Les charges du secteur 1 sont alimentées par la barre 210 par l’intermédiaire de la connexion en série d’un commutateur 212, d’un transformateur de haute tension en basse tension (HV/LV TRANSFORMER) 214, d’un disjoncteur 216 et d’un panneau de distributeurs 218.
De manière similaire, les charges du secteur 2 sont alimentées par la barre 210 par l’intermédiaire de la connexion en série d’un commutateur 222, d’un transformateur de haute tension en basse tension (HV/LV TRANSFORMER) 224, d’un disjoncteur 226 et d’un panneau de distributeurs 228.
Dans l’exemple de la figure 2, le système de batterie 211 comprend deux sous-systèmes de batteries, l’un étant constitué de racks de batteries RK1 à RK4, et l’autre constitué de racks de batteries RK5 à RK8, ces racks de batteries faisant par exemple partie du banc de batteries 110 de la figure 1. Les racks de batteries comprennent chacun par exemple des modules constitués de cellules de batterie. Le système de batterie 211 comprend par exemple une barre interne 230, qui est couplée à la barre 210 par la connexion en série d’un commutateur 232, d’un transformateur de haute tension en basse tension (HV/LV TRANSFORMER) 234, et d’un disjoncteur 236. La barre 230 est couplée aux racks RK1 à RK4 par l’intermédiaire d’un système de conversion d’énergie 238 et d’un commutateur 240, et aux racks RK5 à RK8 par l’intermédiaire d’un système de conversion d’énergie 242 et d’un commutateur 244. Les systèmes de conversion d’énergie 238, 242 réalisent par exemple une conversion AC/DC.
Dans certains modes de réalisation, entre le disjoncteur 208 et la barre 210, un ou plusieurs transformateurs de courant 246, 247 sont par exemple prévus. Le transformateur de courant 246 assure par exemple une protection en mesurant le courant (I PROTECTION). Le transformateur de courant 247 est par exemple utilisé pour la mesure. De manière similaire, la barre 206 est par exemple couplée à un transformateur de tension 248 par l’intermédiaire d’un fusible, l’un des secondaires de ce transformateur 248 étant utilisé pour une protection en mesurant la tension, et l’autre pour la mesure par l’intermédiaire d’un autre fusible. Par exemple, les secondaires du transformateur de courant 247 et du transformateur de tension 248 sont fournis à un transducteur (TRANSDUCER) 250 dans un but de mesure.
La figure 3 est un schéma blocs d’une partie de la boîte DR (DR BOX) 114 des sites clients 102, 104 de la figure 1 selon un exemple de réalisation de la présente description.
La boîte DR 114 comprend par exemple un dispositif de traitement (P) comprenant un ou plusieurs processeurs, comme un ou plusieurs microprocesseurs ou microcontrôleurs. La boîte DR 114 comprend en outre une mémoire (MEMORY) 304 et des interfaces d’entrée/sortie (I/P INTERFACES) 306 reliées au dispositif de traitement 302 par l’intermédiaire d’un bus 308. Par exemple, la mémoire 304 est une mémoire non volatile comme une mémoire FLASH, et mémorise du micro-logiciel qui est exécuté par le dispositif de traitement 302 afin de mettre en œuvre les fonctions de la boîte DR 114. La boîte DR 114 peut en outre comprendre de la mémoire volatile, comme une RAM (mémoire à accès aléatoire), par exemple une DRAM (RAM dynamique) ou une SRAM (mémoire statique à accès aléatoire).
On va maintenant décrire plus en détail le fonctionnement de la boîte DR 114 en faisant référence aux figures 4, 5 et 6.
La figure 4 est un organigramme illustrant des étapes dans un procédé de gestion d’énergie selon un exemple de réalisation de la présente description. Le procédé de la figure 4 est par exemple mis en œuvre au moins partiellement par la boîte DR 114. Ce procédé est par exemple réalisé sur des données d’entrée en temps réel, au niveau du site client. Le terme "temps réel" désigne un système dans lequel les réponses en sortie du système sont retardées de seulement les délais de traitement de données du système. Par exemple, le procédé est exécuté toutes les t secondes, où t est par exemple compris entre 10 ms et 1 minute, et par exemple égal à environ 1 seconde.
Dans une étape 401, une consigne de puissance de batterie Psp est générée indiquant une quantité de puissance à fournir à une batterie, comme le banc de batteries 110 décrit précédemment, à partir du réseau électrique. Cette consigne est par exemple exprimée en kW. Dans le cas où le banc de batteries 110 doit être chargé à partir du réseau électrique, la consigne de puissance de batterie Psp est par exemple positive, tandis que dans le cas où la batterie doit être déchargée vers le réseau électrique, la consigne de puissance de batterie Psp est par exemple négative. Comme on va le décrire plus en détail ci-après, la consigne de puissance de batterie Psp est par exemple générée sur la base d’un état de charge du banc de batteries 110. Dans certains modes de réalisation, la consigne de puissance de batterie Psp est aussi par exemple générée sur la base d’un niveau de déséquilibre de puissance sur le réseau électrique, qui est par exemple déterminé par la détection d’un écart de fréquence de la tension AC (courant alternatif) sur le réseau électrique. La consigne de puissance de batterie Psp peut en plus ou à la place être basée sur une opération programmée de charge de la batterie à partir du réseau électrique et/ou de décharge de la batterie vers le réseau électrique. Par exemple, de telles opérations programmées sont réglées par le système central de gestion d’énergie 106, comme le DERMS 130, afin de générer des économies et/ou des revenus pour le site, par exemple par des réductions de charges de matières premières ou l’équilibrage de services pour le réseau électrique.
Dans une étape 402, une limite Plim_sp, exprimée en kW, de la consigne de puissance de batterie est déterminée, comme on va le décrire maintenant plus en détail.
Dans la suite, Pbat représente la puissance active de batterie, Pind représente la puissance active des charges industrielles du site, Psite représente la puissance active consommée par le site, où Psite=Pbat+Pind, S_lim représente la limite de puissance apparente administrative, exprimée en kVA, Qsite représente la puissance réactive consommée par le site, et Ssite représente la puissance apparente consommée par le site, exprimée en kVA.
La valeur S_lim est par exemple une limite basée sur un contrat d’énergie du site client, et peut par exemple être imposée par un ou plusieurs disjoncteurs, comme le disjoncteur 208 de la figure 2, qui peut être déclenché si le site tente de tirer plus de puissance que la limite autorisée.
La puissance apparente Ssite consommée par le site devrait être inférieure ou égale à la limite S_lim. La puissance apparente Ssite est fonction de la puissance active Psite et de la puissance réactive Qsite. Par conséquent, dans certains modes de réalisation, la limite Plim_sp est déterminée sur la base du calcul suivant :
La limite de consigne de puissance de batterie Plim_sp telle que définie précédemment correspond par exemple à une limite appliquée pendant la charge de la batterie, en d’autres termes, pendant que de l’énergie est transférée à partir du réseau électrique vers le banc de batteries 110. Une limite de consigne de puissance de décharge de batterie peut aussi être générée de manière similaire sur la base de la même formule pendant la décharge de la batterie, en d’autres termes pendant que de l’énergie est transférée vers le réseau électrique à partir du banc de batteries 110. Dans le cas de la décharge, la limite de consigne Plim_sp est par exemple une limite négative.
Dans le cas où il y a des générateurs d’énergie électrique au niveau du site, la limite de puissance de batterie Plim_sp devra aussi être augmentée de la quantité de puissance générée.
Dans une étape 403, la limite Plim_sp est comparée à la consigne Psp, et en particulier, on détermine si Psp est supérieur à Plim_sp. Si oui, dans une étape 404, la consigne de puissance Psp est réduite à Plim_sp ou moins, et appliquée au banc de batteries 110. Cependant, si la consigne de puissance de batterie ne dépasse pas la limite Plim_sp, la consigne de puissance de batterie Psp est par exemple appliquée sans modification. Par exemple, l’application de la consigne de puissance de batterie Psp au banc de batteries 110 implique la génération et la fourniture en sortie par la boîte DR 114 d’un signal de commande pour le banc de batteries 110, par l’intermédiaire par exemple du système de gestion de batterie 112. Cela provoque par exemple l’activation d’un ou plusieurs convertisseurs de tension, comme un convertisseur AC vers DC, un convertisseur DC vers AC, et/ou un convertisseur combiné AC/DC-DC/AC muni de capacités bidirectionnelles, afin de transférer de l’énergie dans la direction appropriée entre le réseau électrique et le banc de batteries 110. Par exemple, ces convertisseurs correspondent aux convertisseurs 238 et 242 de la figure 2.
Un avantage du fait de calculer une limite de puissance de batterie Plim_sp sur la base de la consommation au niveau du site client, et de limiter la consigne de puissance de batterie à la limite calculée, est que cela évite de dépasser la limite de puissance apparente du site S_lim pendant que la batterie se recharge à partir du réseau, ou qu’elle est déchargée pour alimenter des charges industrielles. En outre, en calculant et en appliquant cette limite localement au niveau du site client en utilisant la boîte DR 114, la réaction à des niveaux fluctuants de consommation d’énergie au niveau du site client peut être rapide, et le risque de retards de communication entre la boîte DR 114 et le système centralisé peut être évité.
La figure 5 est un schéma blocs représentant des modules logiciels agencés pour mettre en œuvre le procédé de la figure 4. Les éléments de la figure 5 sont par exemple mis en œuvre par la boîte DR 114 décrite précédemment.
Un module d’acquisition de données (DATA ACQ.) 502 par exemple reçoit des données d’entrée, comprenant par exemple des données de mesure provenant desdits un ou plusieurs dispositifs de mesure 116 décrits précédemment, des données de batterie, indiquant par exemple un état de charge du banc de batteries 110, et des commandes extérieures au site, comme des commandes provenant du système 106. Les données de mesure comprennent par exemple des informations concernant l’énergie, par exemple sous la forme d’un courant, consommée par le site client 102 sur une période donnée, comme par exemple 1 seconde, et l’énergie, aussi par exemple sous la forme d’un courant, fournie à ou consommée par le banc de batteries 110 sur une période donnée. Les données de mesure comprennent aussi par exemple des mesures de fréquence de la fréquence de la tension AC reçue du réseau électrique. Les commandes extérieures au site indiquent par exemple des périodes pendant lesquelles des opérations de charge de batterie, ou des opérations de décharge de batterie, doivent être traitées en priorité, et peuvent inclure une consigne de puissance reçue de l’extérieur, par exemple à partir du DERMS 130.
Le module d’acquisition de données 502 est par exemple agencé pour générer, sur la base des données de mesure, de commandes externes et d’autres données reçues, diverses valeurs de données à utiliser par d’autres algorithmes du dispositif. Par exemple, le module d’acquisition de données 502 est responsable de recueillir des mesures de courant, des lectures d’énergie et des valeurs de puissance active, apparente ou réactive.
Un module de gestion d’algorithme (ALGORITHM MNGT) 504 distribue par exemple les valeurs de données fournies par le module d’acquisition de données 502 aux divers algorithmes 506 responsables du calcul de la consigne de puissance de batterie Psp. Le module 504 est aussi par exemple responsable de la détermination de périodes pendant lesquelles la gestion de l’énergie de batterie doit être activée ou désactivée. Par exemple, pendant certaines périodes d’un jour ou d’une semaine, la gestion d’énergie de batterie pourrait être désactivée, si par exemple les prix de l’électricité, ou la consommation électrique du site client, sont faibles. Le module 504 est aussi par exemple agencé pour vérifier l’état du système, comme si certaines données d’entrée ne sont pas disponibles, s’il y a une connexion de données avec le système central, etc., puisque cela pourrait aussi déclencher la désactivation de certains ou de la totalité des algorithmes de gestion d’énergie de batterie.
Dans l’exemple de la figure 5, les algorithmes 506 responsables du calcul de la consigne de puissance de batterie Psp comprennent : un algorithme de charge de batterie (BATTERY CHARGE) 508, un algorithme de décharge de batterie (BATTERY DISCHARGE) 510, un algorithme de régulation de fréquence (FREQ. REGULATION) 512, un algorithme de maintenance de flux (FLOW MAINTENANCE) 514, un algorithme de gestion de niveau de charge (CHARGE LEVEL MNGT) 516, et un algorithme d’agrégation de consigne (SETPOINT AGGREG) 518.
L’algorithme de charge de batterie 508 génère par exemple une consigne de puissance, indiquant un niveau de puissance, en kW, avec lequel le banc de batterie doit être chargé. Par exemple, l’algorithme reçoit des dates et des heures de début et de fin de période de charge, ainsi qu’un état courant de charge du banc de batterie, et une quantité maximum d’énergie qui peut être stockée par le banc de batterie. L’algorithme calcule par exemple la quantité d’énergie à stocker dans le banc de batterie pendant une période de charge, et sur la base de ces informations, calcule le niveau de puissance à appliquer pendant la charge.
L’algorithme de décharge de batterie 510 fonctionne de manière similaire l’algorithme de charge de batterie 508, excepté que la consigne de puissance générée indique le niveau de puissance avec lequel le banc de batterie doit être déchargé et qui doit être fourni au réseau électrique.
L’algorithme de régulation de fréquence 512 détermine par exemple une consigne de puissance pour réguler la fréquence de la tension AC sur le réseau électrique. Par exemple, l’algorithme 512 reçoit la fréquence mesurée en Hz, ainsi que l’état de la batterie, indiquant par exemple si la charge de batterie est haute ou basse. Dans les périodes où l’état de la batterie n’est pas haut ou bas, la consigne de puissance est par exemple générée par la formule de K*(Freq-50Hz), où K est le gain de régulation en kW/Hz. Dans certains modes de réalisation, le gain K est réglé à une valeur comprise entre 200 kW/Hz et 50 MW/Hz, et par exemple à environ 1 MW/Hz.
L’algorithme de maintenance de flux 514 est par exemple utilisé pour maintenir l’équilibre des états de charge entre les divers racks de batterie du banc de batteries 110. En effet, chaque rack de batterie a un état de charge correspondant, et pour assurer un fonctionnement sûr il est par exemple préférable que de faire en sorte que ces états de charge restent relativement proches les uns des autres.
L’algorithme de gestion de niveau de charge 516 est par exemple utilisé pour charger le banc de batteries 110 à un niveau cible, comme par exemple 50 % de la charge complète, à certains points pendant la régulation de fréquence. Par exemple, l’algorithme de gestion de niveau de charge 516 génère une consigne de puissance pendant que la fréquence AC du réseau électrique est dans une bande morte, comprise par exemple entre 49,985 et 50,015 Hz. L’algorithme génère par exemple la consigne de puissance de manière à charger le banc de batteries 110 si l’état de charge est inférieur au niveau cible, et à décharger le banc de batteries 110 si l’état de charge est supérieur au niveau cible. Dans certains modes de réalisation, le niveau cible pourrait être une plage cible, comme un état de charge compris entre 48 et 52 %, et la consigne de puissance pourrait varier en fonction de la distance entre l’état de charge courant et l’état de charge cible.
L’algorithme d’agrégation de consigne 518 génère par exemple la consigne de puissance globale Psp sur la base de la somme de chacune des consignes de puissance générées par chacun des algorithmes 508 à 516. L’algorithme 518 applique aussi par exemple le procédé décrit précédemment en relation avec la figure 4 afin de limiter la consigne de puissance en fonction des capacités du banc de batteries 110.
Un algorithme de transmission de consigne sécurisée (SECURE SETPOINT TRANSMISSION) 520 est par exemple responsable de l’application de la consigne de puissance au banc de batteries 110 seulement si un état du banc de batteries 110, et par exemple de la boîte DR 114 elle-même, est acceptable, ce qui signifie par exemple que ni le banc de batteries 110 ni la boîte DR 114 n’active des signaux d’avertissement.
La figure 6 est un organigramme illustrant des étapes dans un procédé de gestion d’énergie selon un autre exemple de réalisation. En particulier, le procédé de la figure 6 est par exemple mis en œuvre par la boîte DR 114 décrite précédemment.
Dans une étape 601, une acquisition de données et un prétraitement sont effectués, correspondant par exemple au fonctionnement du module 502 de la figure 5.
Dans une étape 602, des vérifications de présence d’alarmes, d’état de mécanismes, comme par exemple si le mécanisme d’un commutateur est ouvert ou fermé, et des vérifications d’inhibitions sont effectuées avant d’activer le système de gestion de batterie. Ces vérifications sont par exemple réalisées par le module 504 de la figure 5.
Si l’une quelconque des vérifications de l’étape 602 échoue (NOK), dans une étape 603, le banc de batteries 110 est considéré comme non disponible, et le procédé par exemple redémarre à l’étape 601 après une période d’attente. Toutefois, si la totalité des vérifications se passe avec succès (OK), l’étape suivante est l’étape 604.
Dans l’étape 604, on détermine si l’état de charge (SOC) du banc de batteries 110 est dans une plage autorisée. Dans la négative, dans une étape 605, le banc de batteries 110 est par exemple chargé ou déchargé jusqu’à ce qu’il se trouve dans la plage autorisée. La plage autorisée peut dépendre par exemple de besoins d’autres fonctions comme de l’énergie d’urgence, ainsi que de contraintes de sécurité technique, par exemple pour éviter d’endommager des cellules de batterie. Toutefois, si le SOC et dans la plage autorisée, dans une étape 606, un ou plusieurs algorithmes de monétisation sont par exemple appliqués, comme les algorithmes de charge, de décharge ou de régulation de fréquence 508, 510 et 512 décrits précédemment. Par exemple, ces algorithmes impliquent l’activation d’applications en fonction du temps et de la planification, le calcul de consignes en fonction d’entrées SCADA et d’algorithmes locaux, et/ou la fusion de résultats et de conflits résultants entre des applications et/ou des contraintes. Les entrées SCADA comprennent par exemple les commandes reçues du système 106, générées par exemple par le DERMS 130, indiquant des périodes pendant lesquelles des opérations de charge ou de décharge de batterie doive être traitées en priorité, et/ou des consignes de puissance que l’on souhaite appliquer pendant la charge ou la décharge.
Après les étapes 605 et 606, une étape de limitation de charge 607 ou une étape de limitation de décharge 608 est par exemple effectuée, dans laquelle la charge/décharge indiquée par la consigne de puissance de batterie générée est limitée, par exemple sur la base du courant au niveau de la connexion au réseau. Cela correspond par exemple à la limite appliquée par le procédé de la figure 4 décrit précédemment, et peut dépendre d’une limite d’importation maximum (MIC) et/ou d’une limite d’exportation maximum (MEC) d’un site, ces limites étant reliées à la limite de puissance apparente S_lim du site.
Dans une étape 609, le procédé implique par exemple ensuite l’application de la consigne de puissance au banc de batteries 110, par exemple par une entrée de commande dans un registre de consigne du banc de batterie. Le procédé revient ensuite par exemple à l’étape 601 lorsqu’un ensemble suivant de données d’entrée devient disponible.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaitront à la personne du métier. Par exemple, il apparaîtra clairement à la personne du métier que le procédé décrit ici pourrait être appliqué à des sites clients ayant un nombre quelconque de bancs de batteries, et une ou plusieurs charges, et éventuellement ayant un ou plusieurs générateurs d’énergie électrique. En outre, les procédés peuvent être mis en œuvre par plus qu’un seul dispositif de gestion d’énergie ou plus qu’une seule boîte DR à différents emplacements dans un site client, et en communication entre eux, par exemple par l’intermédiaire du SCADA ou d’autre matériel centralisé.
Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.
Claims (14)
- Dispositif de gestion d’énergie (DR BOX) agencé pour :
- générer, sur la base d’au moins un état de charge d’une ou plusieurs batteries (110) agencées pour stocker de l’énergie électrique au niveau d’un site client (102) d’un réseau électrique, une consigne de puissance de batterie (Psp) indiquant une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries (110) et/ou à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ;
- générer une limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp) sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance (Qsite, Pind) du site client (102) ;
- comparer la consigne de puissance de batterie (Psp) à la limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp) ;
- si la consigne de puissance de batterie (Psp) dépasse la limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp), réduire la consigne de puissance de batterie (Psp) à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp) ; et
- appliquer la consigne de puissance de batterie (Psp) auxdites une ou plusieurs batteries (110). - Dispositif de gestion d’énergie selon la revendication 1, agencé pour générer la limite de consigne de puissance de batterie Plim_sp sur la base d’une puissance réactive Qsite consommée par le site, d’une puissance active Pind d’une ou plusieurs charges (118, 218, 228) du site, et d’une limite de puissance apparente globale S_lim du site.
- Dispositif de gestion d’énergie selon la revendication 2, agencé pour générer la limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp) sur la base de l’équation suivante :
- Dispositif de gestion d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le site comprend au moins un générateur d’énergie électrique (122), dans lequel le dispositif de gestion d’énergie est agencé pour générer la limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp) aussi en fonction de la puissance générée par le générateur d’énergie électrique (122).
- Dispositif de gestion d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, agencé en outre pour générer la consigne de puissance de batterie (Psp) sur la base d’un niveau de demande sur le réseau électrique.
- Dispositif de gestion d’énergie selon la revendication 5, agencé pour détecter le niveau de déséquilibre de puissance sur le réseau électrique en détectant un écart de fréquence d’une tension AC fournie par le réseau électrique au site client (102).
- Dispositif de gestion d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, agencé pour détecter le niveau de consommation de puissance (Qsite) du site client (102) en lisant au moins un dispositif de mesure d’électricité (116) au niveau du site client.
- Dispositif de gestion d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, agencé en outre pour générer la consigne de puissance de batterie (Psp) sur la base d’une opération programmée de charge ou de décharge de batterie.
- Dispositif de gestion d’énergie selon la revendication 8, agencé en outre pour communiquer avec un système central (106) afin de recevoir des données de programmation concernant l’opération programmée de charge ou de décharge de batterie.
- Dispositif de gestion d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la consigne de puissance de batterie (Psp) indique une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries (110) et la limite de consigne de puissance de batterie est une limite de consigne de puissance de charge de batterie, et le dispositif de gestion d’énergie est en outre agencé pour :
- générer, sur la base d’au moins un état de charge desdites une ou plusieurs batteries (110), une autre consigne de puissance de batterie (Psp) indiquant une quantité de puissance à transférer à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ;
- générer une limite de consigne de puissance de décharge de batterie sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance (Qsite, Pind) du site client (102) ;
- comparer la consigne de puissance de batterie (Psp) à la limite de consigne de puissance de décharge de batterie ;
- si la consigne de puissance de batterie (Psp) dépasse la limite de consigne de puissance de décharge de batterie, réduire la consigne de puissance de batterie (Psp) à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de décharge de batterie (Plim_sp) ; et
- appliquer la consigne de puissance de batterie (Psp) auxdites une ou plusieurs batteries (110). - Système de gestion d’énergie, comprenant :
- un système central (106) ; et
- une pluralité de sites clients (102, 104), chaque site client comprenant le dispositif de gestion d’énergie (DR box, 114) de l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le système central (106) est agencé pour communiquer avec chacun des dispositifs de gestion d’énergie (114). - Système de gestion d’énergie selon la revendication 11, dans lequel le système central (106) comprend :
- un système de commande et d’acquisition de données (SCADA, 128) ; et
- un système de gestion de ressources distribuées (DERMS, 130) en communication avec le système de commande et d’acquisition de données. - Procédé de gestion d’énergie comprenant :
- générer, par un dispositif de gestion d’énergie (DR BOX, 114), sur la base d’au moins un état de charge d’une ou plusieurs batteries (110) agencées pour stocker de l’énergie électrique au niveau d’un site client (102) d’un réseau électrique, une consigne de puissance de batterie (Psp) indiquant une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries (110) et/ou à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ;
- générer, par le dispositif de gestion d’énergie, une limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp) sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance (Qsite, Pind) du site client (102) ;
- comparer, par le dispositif de gestion d’énergie, la consigne de puissance de batterie (Psp) à la limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp) ;
- si la consigne de puissance de batterie (Psp) dépasse la limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp), réduire, par le dispositif de gestion d’énergie, la consigne de puissance de batterie (Psp) à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de batterie (Plim_sp) ; et
- appliquer, par le dispositif de gestion d’énergie, la consigne de puissance de batterie (Psp) auxdites une ou plusieurs batteries (110). - Procédé selon la revendication 13, dans lequel la consigne de puissance de batterie (Psp) indique une quantité de puissance à transférer à partir du réseau électrique vers lesdites une ou plusieurs batteries (110) et la limite de consigne de puissance de batterie est une limite de consigne de puissance de charge de batterie, et le procédé comprend en outre :
- générer, sur la base d’au moins un état de charge desdites une ou plusieurs batteries (110), une autre consigne de puissance de batterie (Psp) indiquant une quantité de puissance à transférer à partir desdites une ou plusieurs batteries vers le réseau électrique ;
- générer une limite de consigne de puissance de décharge de batterie sur la base d’au moins un niveau de consommation de puissance (Qsite, Pind) du site client (102) ;
- comparer la consigne de puissance de batterie (Psp) à la limite de consigne de puissance de décharge de batterie ;
- si la consigne de puissance de batterie (Psp) dépasse la limite de consigne de puissance de décharge de batterie, réduire la consigne de puissance de batterie (Psp) à une valeur égale ou inférieure à la limite de consigne de puissance de décharge de batterie (Plim_sp) ; et
- appliquer la consigne de puissance de batterie (Psp) auxdites une ou plusieurs batteries (110).
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