FR3114452A1

FR3114452A1 - Procede de pilotage d’un systeme generateur et systeme generateur pilote selon ce procede

Info

Publication number: FR3114452A1
Application number: FR2009605A
Authority: FR
Inventors: Valentin Costan; Antoine Rosse; Guilherme SANTOS PEREIRA
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 2020-09-22
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-09-22
Also published as: FR3114452B1

Abstract

Procédé de pilotage d’un système générateur comportant une source d’énergie (10) alimentant un bus courant continu (bus DC) au travers d’un premier convertisseur (12) de type alternatif/continu (convertisseur AC/DC) ou continu/continu (convertisseur DC/DC), ledit bus DC étant raccordé sur un réseau électrique alternatif au moyen d’un deuxième convertisseur (20) de type continu/alternatif (convertisseur DC/AC) bidirectionnel pilotable en puissance, ledit système comportant au moins un tampon d’énergie (30) lui-même raccordé sur le bus DC par un troisième convertisseur (32), de type convertisseur continu/continu (convertisseur DC/DC) bidirectionnel pilotable, caractérisé en ce qu’il comporte un pilotage du premier convertisseur, un pilotage dudit deuxième convertisseur en puissance et un pilotage du troisième convertisseur de manière bidirectionnelle, par une première boucle de régulation (configurée pour que ledit troisième convertisseur absorbe ou injecte dans le bus DC une puissance électrique d’équilibrage du bus DC en sorte de maintenir la tension dudit bus DC stable. Figure 1

Description

PROCEDE DE PILOTAGE D’UN SYSTEME GENERATEUR ET SYSTEME GENERATEUR PILOTE SELON CE PROCEDE

L’invention relève du domaine des systèmes générateurs pour réseaux électriques.

Il est connu de réaliser des systèmes générateurs combinant une source d’énergie renouvelable avec un dispositif de stockage et de raccorder cet ensemble sur un réseau électrique au travers d’un onduleur.

Problème technique

Il est souhaitable toutefois de perfectionner ces systèmes et de pouvoir généraliser l’usage de dispositifs de stockage et perfectionner le pilotage de ces systèmes pour palier à des variations de fréquence ou de tension du réseau de même que des variations de puissance des sources d’énergie.

Au vu de l’art antérieur la présente demande propose un procédé de pilotage d’un système générateur comportant une source d’énergie alimentant un bus courant continu (bus DC) au travers d’un premier convertisseur de type alternatif/continu (convertisseur AC/DC) ou continu/continu (convertisseur DC/DC), ledit bus DC étant raccordé sur un réseau électrique alternatif au moyen d’un deuxième convertisseur de type continu/alternatif (convertisseur DC/AC) bidirectionnel pilotable en puissance, ledit système comportant au moins un tampon d’énergie lui-même raccordé sur le bus DC par un troisième convertisseur, de type convertisseur continu/continu (convertisseur DC/DC) bidirectionnel pilotable, qui comporte un pilotage du premier convertisseur en puissance, un pilotage dudit deuxième convertisseur en puissance et un pilotage du troisième convertisseur par une première boucle de régulation configurée pour que ledit troisième convertisseur absorbe ou injecte dans le bus DC une puissance électrique d’équilibrage du bus DC en sorte de maintenir la tension dudit bus DC stable.

Le procédé de l’invention permet de réguler la tension réseau ou de palier à des variations de puissance temporaires de la source d’énergie peu importe l’origine de la variation de tension du bus DC : variation sur le réseau qui fait subir un appel de puissance à l’onduleur ou deuxième convertisseur, variation de puissance de la source d’énergie, ou même baisse de la tension DC à cause des pertes.

Ce procédé est adapté à une source d’énergie de type panneau solaire ou éolienne le premier convertisseur étant piloté dans ce cas en mode MPPT ou à une source d’énergie telle qu’un réseau secondaire, le premier convertisseur étant alors piloté en puissance avec une valeur de référence de puissance pouvant par exemple être envoyée par les opérateurs du réseau (cas d’une ligne HVDC). Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

La première boucle de régulation peut comporter une correction proportionnelle/intégrale (PI) recevant la différence d’une tension de référence V_{dc_ref}du bus DC et d’une tension du bus DC mesurée V_{dc_mes}pour calculer une valeur de rapport cyclique « α » de pilotage du troisième convertisseur.

Ceci permet de réaliser un asservissement rapide de la tension du bus DC à la tension de référence.

Le procédé peut comporter une seconde boucle de régulation, de gestion de charge du tampon d’énergie et comportant une modulation d’une consigne de puissance P0 active du deuxième convertisseur.

Ainsi le tampon est déchargé ou chargé selon l’état de la tension du bus DC.

La seconde boucle de régulation peut comporter un filtrage de la puissance de la source d’énergie P_s _eet le calcul d’une consigne de puissance P0 au moyen d’une différence d’une énergie tampon cible E_{tp_c}et d’une énergie tampon mesurée E_{tp_mes}en entrée d’un second correcteur PI et de la somme de la sortie du second correcteur PI avec la puissance de la source d’énergie P_s _efiltrée.

La seconde boucle de régulation peut être une régulation à dynamique lente par rapport à une dynamique de la première boucle de régulation de la tension du bus DC en sorte de ne pas générer d’instabilité entre les deux boucles.

Lorsque le deuxième convertisseur subit un appel de charge sur le réseau et que la puissance de la source d’énergie n’augmente pas:

dans un premier temps le tampon d’énergie peut fournir l’excès de puissance demandée par le réseau en se déchargeant,
dans un deuxième temps, la puissance fournie par le deuxième convertisseur au réseau peut être abaissée progressivement, afin qu’elle devienne inférieure à la puissance produite par la source d’énergie, l’excès d’énergie produite par la source d’énergie permettant alors de recharger le tampon d’énergie au travers du deuxième convertisseur.

Ainsi, le tampon régule les variations rapides de la tension DC du bus et de ce fait la puissance fournie par l’onduleur au réseau.

Le deuxième convertisseur peut fournir une puissance au réseau avec une loi de type P = P0 – K(F – F0), avec F la fréquence du réseau, F0 une constante (consigne de fréquence), et K un gain.

Le deuxième convertisseur peut être piloté en mode source de tension, notamment de type générateur synchrone virtuel (VSG).

Dans le cas où la puissance de la source d’énergie est inférieure à un seuil bas, par exemple pour une source d’énergie renouvelable, le deuxième convertisseur peut être configuré pour soutirer de la puissance active du réseau pour recharger le tampon d’énergie au travers du troisième convertisseur.

Un filtre de lissage de fluctuations rapides de puissance de la source d’énergie peut être implémenté par des séquences de charge/décharge du tampon d’énergie ce qui parfait la régulation. De telles fluctuations rapides sont notamment typiques des sources ENR (PV ou éolien), et peuvent être des variations de l’ordre de quelques secondes jusqu’à quelques minutes.

Le tampon d’énergie étant pourvu de plusieurs modules Mi, i=1 … n, comportant chacun un élément de stockage et un troisième convertisseur de type convertisseur DC/DC mis en série, le procédé peut comporter une fonction de régulation de l’équilibrage des états de charge des modules, ladite fonction étant implémentée en adaptant le rapport cyclique αi du troisième convertisseur de chaque module Mi au moyen d’un signal de régulation qui dépend de l’énergie stockée mesurée du module Mi par rapport à l’énergie totale du tampon d’énergie.

Ceci permet d’utiliser une pluralité de cellules telles que des supercondensateurs.

L’invention concerne en outre un système générateur qui comporte une source d’alimentation alimentant un bus courant continu (dit bus DC) au travers d’un premier convertisseur, ledit bus DC étant raccordé sur un réseau électrique alternatif au moyen d’un deuxième convertisseur de type continu/alternatif (dit convertisseur DC/AC) et comportant au moins un tampon d’énergie pourvu d’un élément de stockage d’énergie lui-même raccordé sur le bus DC par un troisième convertisseur de type convertisseur de type continu/continu (dit convertisseur DC/DC) et en ce qu’il comporte un ou plusieurs calculateurs reliés à des moyens de mesure de la tension du bus DC, de la puissance de sortie de la source d’énergie, de la puissance du troisième convertisseur de manière bidirectionnelle et de la charge du tampon d’énergie et configurés pour implémenter le procédé de l’invention, lesdits premier convertisseur, deuxième convertisseur et troisième convertisseur étant configurables pour être pilotés selon ledit procédé par lesdits un ou plusieurs calculateurs.

Le tampon d’énergie peut notamment comporter plusieurs modules chacun pourvu de son dit troisième convertisseur de type convertisseur DC/DC bidirectionnel contrôlable lesdits troisièmes convertisseurs étant reliés en série sur le bus DC. Ceci accroît la capacité de régulation du tampon tout en faisant appel à des éléments de stockage d’énergie de taille réduite.

Avantageusement, le système peut comporter pour chaque module et en sortie de chaque module un condensateur et un composant, tel qu’une résistance, d’équilibrage passif des tensions de sortie des modules connectés en parallèle sur la sortie de son troisième convertisseur.

Le système comporte avantageusement un module de gestion de l’équilibrage de l’énergie stockée dans les différents modules qui constituent le tampon d’énergie adapté à piloter le rapport cyclique αi du convertisseur DC/DC d’un module Mi au moyen d’un signal de régulation qui dépend de l’énergie stockée du module Mi par rapport à l’énergie totale du tampon d’énergie en sorte d’augmenter de manière relative la puissance fournie par le ou les modules ayant un stock d’énergie plus élevé et d’équilibrer les états de charge des modules.

Ceci équilibre la charge des modules.

Le tampon d’énergie peut comporter un ou plusieurs super-condensateurs comme éléments de stockage d’énergie.

Le tampon d’énergie peut comporter une ou plusieurs batteries comme éléments de stockage d’énergie.

La source d’énergie peut être une source d’énergie renouvelable constituée d’un ou plusieurs panneaux photovoltaïques, le premier convertisseur étant un convertisseur DC/DC ou pour lequel la source d’énergie est une source d’énergie renouvelable constituée d’une éolienne, le premier convertisseur étant un convertisseur AC/DC.

Alternativement, la source d’énergie peut être un réseau électrique alternatif connecté via un convertisseur AC/DC bidirectionnel en puissance.

Le système peut comporter sur le bus DC en entrée de l’onduleur un filtre de filtrage des harmoniques générés par la commutation haute fréquence du deuxième convertisseur.

D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

montre une vue schématique d’un exemple de système de l’invention;

montre un détail de fonction de pilotage proportionnel/intégral;

montre un premier exemple de boucle de régulation;

montre des premières courbes de réponse du système;

montre des secondes courbes de réponse du système;

montre un deuxième exemple de boucle de régulation;

montre un troisième exemple de boucle de régulation;

Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

Dans le présent texte sont utilisés les acronymes anglais :

DC pour « direct current » en anglais soit courant continu en français;

AC pour « alternating current » en anglais soit courant alternatif en français.

L’invention concerne système générateur pourvu d’une architecture de composants et un contrôle-commande permettant d’associer à une source d’énergie, par exemple une source d’énergie renouvelable (source EnR), panneau photovoltaïque ou éolienne par exemple, ou un réseau électrique en courant alternatif secondaire et un tampon d’énergie, constitué par exemple de supercondensateurs, pour alimenter le bus continu DC d’un onduleur ou convertisseur DC/AC branché sur un réseau en courant alternatif principal.

L’onduleur peut notamment être contrôlé avec une commande de type « grid forming » c’est-à-dire « source de tension » en français et notamment en générateur synchrone virtuel connu sous l’acronyme anglais. VSG « Virtual Synchronous Generator »). L’onduleur peut aussi fournir une puissance au réseau avec une loi de type P = P0 – K(F – F0), avec P0 une puissance de consigne, F la fréquence du réseau, F0 une constante (consigne de fréquence), et K un gain.

L’onduleur peut contribuer à la stabilité du réseau de plusieurs façons :

Fourniture d’une certaine quantité d’inertie au réseau, ou soutien dynamique de la tension et de la fréquence du réseau en fournissant une réponse en puissance suite à un déséquilibre sur le réseau (caractéristique de source de tension de l’onduleur avec son mode de pilotage : réponse analogue à la réponse dite « inertielle » des machines synchrones),
Réglage de fréquence rapide avec l’implémentation d’un statisme puissance/fréquence ou fréquence/puissance (« frequency Droop control» en anglais) dans la commande de l’onduleur,
Lissage de la puissance produite par la ressource pour limiter la perturbation du réseau électrique.

Le fonctionnement global du contrôle peut être résumé comme un contrôle local et décentralisé permettant de:

Maintenir la tension Vdc constante et donc garder le comportement en mode source de tension de l’onduleur ;
Fournir une réponse en puissance active naturelle et instantanée au réseau suite à une variation de charge et/ou de fréquence sur le réseau ;
Lisser les variations rapides de la puissance produite par la ressource, source d’énergie renouvelable ou source d’énergie réseau électrique secondaire ;
Adapter la puissance active de l’onduleur afin de restaurer le niveau de charge dans le tampon d’énergie ;
Eventuellement, lorsque le tampon d’énergie comporte plusieurs modules, équilibrer de manière dynamique les niveaux d’énergie des modules qui constituent le tampon d’énergie.

Comme représenté en figure 1, l’architecture comprend les éléments suivants :

- Une source d’énergie, qui peut être :
1. - comme représenté en figure 1, une source d’énergie, par exemple de type renouvelable à sortie de courant continu 10 avec sa chaine de conversion d’énergie dont le dernier élément est un premier convertisseur 12 DC/DC 12 ou une source d’énergie telle qu’un réseau secondaire ou une éolienne.
2. - un réseau électrique alternatif secondaire connecté via un convertisseur AC/DC bidirectionnel piloté en puissance. Ceci est par exemple utilisé dans le cas de zones interconnectées par des liaisons HVDC « liaison haute tension à courant continu » ;
- Un onduleur 20 ou deuxième convertisseur de type DC/AC bidirectionnel représenté en figure 1 connecté à un réseau électrique R, de type réseau de transport d’électricité, réseau de distribution ou micro-réseau par exemple, qui a un comportement caractéristique d’une source de tension vue par le réseau et qui va donc pouvoir répondre à des perturbations qui peuvent survenir sur le réseau, en subissant des flux de puissance active à la hausse ou à la baisse ;
Un tampon d’énergie 30 à un ou plusieurs modules 30A, 30B, …. qui va se connecter en parallèle avec la source d’énergie sur le bus DC de l’onduleur au travers d’un ou plusieurs troisièmes convertisseurs bidirectionnels;
Une ou plusieurs boucles de régulation (contrôle-commande) implémentées dans un ou plusieurs calculateurs 100 et qui ont pour objectif de maintenir la tension du bus DC (V_{dc_} _I _nv) à une valeur de consigne.

Dans le cas d’une source d’énergie renouvelable variable ou intermittente panneau photovoltaïque ou éolienne, la source d‘énergie est préférablement associée à un contrôle de type « MPPT » (maximum power point tracking ou en français suivi du point de puissance maximale) qui vise à extraire le maximum de puissance de la ressource renouvelable à chaque instant par exemple par une méthode classique de type « Perturbe & Observe ». Concrètement, dans ce cas le premier convertisseur va moduler la tension V_{dc_S}de la source EnR afin de maximiser la puissance P_se, la tension V_{dc_Inv}étant fixée par ailleurs.

Dans le cas d’une source d’énergie de type réseau secondaire, le premier convertisseur est piloté en puissance avec une valeur de référence de puissance par exemple envoyée par les opérateurs du réseau (cas d’une ligne HVDC).

Pour l’onduleur, la puissance de consigne P0 de l’onduleur 20 en régime permanent, hors transitoires, doit être pilotable à la hausse et à la baisse par un dispositif de contrôle 100 qui définit une puissance de consigne P0 en entrée de l’onduleur.

Toujours en figure 1, sur l’entrée courant continu de l’onduleur ou deuxième convertisseur est connecté un filtre d’entrée 21 qui sert à filtrer les harmoniques générés par la commutation haute fréquence de l’onduleur. La tension d’entrée de l’onduleur (V_{dc_} _I _nv) est définie comme la tension aux bornes de ce filtre. Dans sa forme la plus simple, le filtre peut être un condensateur. De manière traditionnelle la sortie de l’onduleur comporte un filtre passe bande 22 et un transformateur d’isolement 23 pour le raccordement au réseau R.

Le tampon d’énergie peut être constitué d’un module 30 ou de plusieurs modules 30a, 30b, … mis en série comme représenté. Chaque module est constitué d’un moyen de stockage d’énergie 31 comme un supercondensateur dans l’application préférentielle de l’invention, mais peut être une ou plusieurs batteries ou tout autre type de stockage ayant une caractéristique de source de tension DC. Le ou les moyens de stockage d’énergie sont associés à un ou plusieurs troisièmes convertisseurs DC/DC bidirectionnels 32 contrôlables.

En sortie de chaque module sont connectés une capacité 33, pour tenir la tension de sortie, et un composant d’équilibrage 34 raccordé en parallèle qui permet de réaliser un équilibrage passif des tensions de sortie des modules lorsqu’ils sont mis en série. Dans sa forme la plus simple, ce composant d’équilibrage peut être une simple résistance électrique, comme illustré en figure 1.

La source d’énergie 10 avec son convertisseur DC/DC ou AC/DC 12 et le tampon d’énergie 30 sont raccordés en parallèle sur le bus DC de l’onduleur 20.

L’architecture ainsi proposée est illustrée ci-dessous, dans le cas avec deux modules. Cependant, l’invention concerne une pluralité de modules mis en série pour constituer le tampon d’énergie.

L’invention peut prévoir une première boucle de régulation 40 de type contrôle-commande qui a pour objectif de maintenir la tension du bus DC V_dc _{_I} _nvà une valeur de consigne. Concrètement, il s’agit de piloter le ou les convertisseurs DC/DC du tampon d’énergie pour absorber/injecter la puissance électrique nécessaire pour équilibrer le bus DC et ainsi maintenir la tension du bus DC. Une manière de réaliser cette fonction correspond au schéma de contrôle présenté en figure 2. Un correcteur PI (proportionnel/intégral) 41 est utilisé pour calculer une valeur de rapport cyclique (ou modulante) α à partir d’une différence 42 entre une tension de référence V_{dc_r} _efet la tension du bus DC V_{dc_I} _nvet cette valeur α est utilisée pour piloter le ou les convertisseurs DC/DC du ou des modules.

L’invention peut aussi prévoir une deuxième boucle de régulation 50 de type contrôle-commande qui a pour objectif de gérer l’énergie stockée dans le tampon d’énergie, en modulant la consigne de puissance active de l’onduleur P0. Cette boucle de régulation a une dynamique lente par rapport à la boucle de régulation de la tension du bus DC décrite au point précédent pour ne pas générer d’instabilité entre les deux boucles, un rapport d’au moins 10 entre les temps de réponses des deux boucles est généralement choisi.

Un exemple de réalisation de cette deuxième boucle de régulation 50 est présenté en figure 3. Un correcteur PI proportionnel-intégral 51 est utilisé pour la gestion de charge du tampon d’énergie à partir de sa valeur cible E_{tp_c}à laquelle est soustraite au niveau d’un soustracteur 52 la valeur mesurée d’énergie E_{tp_mes}en jouant sur la consigne de puissance P0 de l’onduleur, avec la puissance de la source d’énergie P_sefiltrée 54 et sommée 53 avec la sortie du régulateur 51 de manière similaire à une régulation de type à boucle de réaction positive (feedforward en anglais).

. Lorsque l’onduleur subit un appel de charge sur le réseau et que la puissance de la source d’énergie n’augmente pas, c’est le tampon d’énergie qui va fournir l’excès de puissance demandée par le réseau. Dans un premier temps, le tampon d’énergie va donc se décharger. Dans un deuxième temps, l’objectif est de baisser progressivement la puissance fournie par l’onduleur au réseau, afin qu’elle devienne inférieure à la puissance produite par la source d’énergie. Ainsi, l’excès d’énergie produite par la source d’énergie permet de recharger le stockage d’énergie. Si la puissance de la source d’énergie est nulle (ou très faible), ce qui arrive pour une source d’énergie de type ressource renouvelable, l’onduleur peut même soutirer de la puissance active du réseau pour recharger le tampon d’énergie.

En régime permanent, lorsqu’il n’y a. pas de perturbations sur le réseau, la consigne de puissance active de l’onduleur est égale, aux pertes près, à la puissance produite par la source d’énergie.

Dans le cas d’un mode de réalisation avec une source d’énergie de type ressource renouvelable notamment, il est possible d’implémenter un filtre sur la puissance de la ressource renouvelable ce qui permet également de lisser les fluctuations rapides de puissance de la source renouvelable. Ce qui a un intérêt pour la stabilité du réseau. Comme pour les déséquilibres de puissance liés aux transitoires sur le réseau, ce lissage est réalisé naturellement d’un point de vue énergétique par des séquences de charge/décharge du tampon d’énergie.

Une première simulation en figure 4 donne une illustration de la fourniture immédiate de puissance par le tampon d’énergie ici de type à supercondensateurs suite à une chute de fréquence soudaine sur le réseau, suivi de la phase de recharge du tampon d’énergie. En courbe A est représentée la fréquence réseau 60 en Hertz en fonction du temps, en courbe B la puissance de sortie de la source d’énergie 61 et la puissance de sortie onduleur 62 en fonction du temps, et en courbe C la tension moyenne 63 des supercondensateurs et la tension de consigne 64 des supercondensateurs en fonction du temps. Les courbes traduisent :

– un incident chute brutale de fréquence sur le réseau électrique qui fait subir une augmentation soudaine de puissance 62a à l’onduleur ;

- La puissance issue de la source d’énergie reste constante : l’excès de puissance est fourni par le tampon d’énergie et donc la tension des supercondensateurs chute 63a en conséquence alors que la tension DC de l’onduleur V_{dc_} _I _n _v, non représentée, est maintenue constante pendant ce temps ;

- La puissance active P0 fournie par l’onduleur est adaptée dans un deuxième temps pour recharger le tampon d’énergie : la tension des supercondensateurs remonte et se stabilise à sa valeur de consigne. Notons qu’ici, la tension des supercondensateurs est un indicateur direct de leur niveau d’énergie.

Une deuxième simulation en figure 5 illustre la fonction lissage de la puissance produite par une source d’énergie renouvelable variable en cas de variation transitoire de cette puissance.

Ici selon la courbe D, la puissance 70 de la source d’énergie chute brutalement et le tampon d’énergie compense en fournissant de la puissance 72 de sorte que la puissance de sortie de l’onduleur 71 ne subisse qu’une chute limitée. En courbe E est représentée la tension des supercondensateurs du tampon qui chute en 73a lors de l’appel de puissance puis remonte en 73b lorsque le tampon est réalimenté par la source d’énergie revenue à la normale. La courbe de tension du bus DC du convertisseur est représentée en courbe F.

Le système peut comporter en outre une fonction de régulation qui a pour objectif de gérer l’équilibrage de l’énergie stockée dans les différents modules qui constituent le tampon d’énergie. Cet équilibrage est implémenté en adaptant le rapport cyclique (ou modulante) αi du convertisseur DC/DC de chaque module i en ajoutant un signal de régulation qui dépend de l’énergie stockée (mesurée) du module i par rapport à l’énergie totale du tampon d’énergie. Le principe est d’augmenter de manière relative la puissance fournie par les modules ayant un stock d’énergie plus élevé, afin d’équilibrer les états de charge des modules. Ce principe est illustré aux figures 6A et 6B avec deux exemples de réalisation. Dans le premier exemple selon la figure 6A, la boucle d’équilibrage est réalisée par correction de l’énergie stockée dans chaque module par rapport à l’énergie totale du tampon. La variable de régulation globale α_globalen sortie du correcteur PI 40 de la figure 3 est reprise pour chaque module en tant que valeur sommée dans un sommateur 84 avec la sortie d’un correcteur PI 82 recevant la différence 83 entre l’énergie du module mesurée E_{Mod_mes}et l’énergie du tampon mesurée E_{tp_mes}multipliée par un coefficient Ki facteur de contribution du module i à l’énergie totale du tampon, avec Ki tel que la somme =1, avec n le nombre de modules. La sortie du sommateur 84 est transformée dans un bloc de limitation/saturation du rapport cyclique 85 pour obtenir la consigne α_idu convertisseur de chaque module i.

Dans le deuxième exemple selon la figure 6B, la boucle d’équilibrage a pour objectif d’équilibrer les tensions des sources de chaque module (tensions des supercondensateurs), ce qui est équivalent à un équilibrage en énergie dans le cas où tous les modules sont identiques.

La moyenne des tensions de sources de chaque module i=1 à n est soustraite de la tension source de chaque module, le résultat est introduit dans un correcteur PI 86, sommé au niveau du sommateur 87 avec la consigne de régulation globale α_globalpuis envoyé comme entrée d’un bloc de limitation/saturation du rapport cyclique 88 pour donner la consigne α_ide chaque module i.

L’invention est utilisable avec un tampon 30 utilisant une ou plusieurs batteries ou bien un ou plusieurs super-condensateurs. Il y a une différence entre les deux cependant en ce qui concerne la méthode de calcul de l’énergie stockée dans chaque cas : Dans le cas des supercondensateurs, l’énergie stockée de chaque supercondensateur i peut être calculée en fonction de la mesure de tension à ses bornes (V_i) et de sa capacité (C_i), avec la formule E_i= (1/2)*(C_iV_i)^2 Dans le cas des batteries, l’énergie stockée de chaque batterie peut être calculée à partir de son état de charge (SOC_i , en %) et de sa capacité énergétique nominale (En_i , en Wh), avec la formule E_i= SOC_i* En_i / 100. En particulier, l’invention peut utiliser un mix de modules batteries / super-condensateurs.

L’invention n’est pas limitée aux exemples représentés et peut notamment s’appliquer à des panneaux PV, le premier convertisseur étant un convertisseur DC/DC, ou à une source éolienne équipée d’un premier convertisseur AC/DC ou une à source d’énergie telle qu’un réseau secondaire, le premier convertisseur étant alors un convertisseur AC/DC ou un convertisseur DC/DC.

Claims

Procédé de pilotage d’un système générateur comportant une source d’énergie (10) alimentant un bus courant continu (bus DC) au travers d’un premier convertisseur (12) de type alternatif/continu (convertisseur AC/DC) ou continu/continu (convertisseur DC/DC), ledit bus DC étant raccordé sur un réseau électrique alternatif au moyen d’un deuxième convertisseur (20) de type continu/alternatif (convertisseur DC/AC) bidirectionnel pilotable en puissance, ledit système comportant au moins un tampon d’énergie (30) lui-même raccordé sur le bus DC par un troisième convertisseur (32), de type convertisseur continu/continu (convertisseur DC/DC) bidirectionnel pilotable, caractérisé en ce qu’il comporte un pilotage du premier convertisseur en puissance, un pilotage dudit deuxième convertisseur en puissance et un pilotage du troisième convertisseur de manière bidirectionnelle, par une première boucle de régulation configurée pour que ledit troisième convertisseur absorbe ou injecte dans le bus DC une puissance électrique d’équilibrage du bus DC en sorte de maintenir la tension dudit bus DC stable.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon la revendication 1, pour lequel la première boucle de régulation (40) comporte une correction proportionnelle/intégrale (PI) (41) recevant la différence (42) d’une tension de référence V_{dc_ref}du bus DC et d’une tension du bus DC mesurée V_{dc_mes}pour calculer une valeur de rapport cyclique « α » de pilotage du troisième convertisseur.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon la revendication 2, comportant une seconde boucle de régulation (50), de gestion de charge du tampon d’énergie et comportant une modulation d’une consigne de puissance P0 active du deuxième convertisseur.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon la revendication 3, pour lequel la seconde boucle de régulation comporte un filtrage (54) de la puissance de la source d’énergie (P_se) et le calcul d’une consigne de puissance P0 au moyen d’une différence (52) d’une énergie tampon cible E_t _p _{_} _cet d’une énergie tampon mesurée E_t _p _{_mes}en entrée d’un second correcteur PI (51) et de la somme (53) de la sortie du second correcteur PI avec la puissance de la source d’énergie (P_se) filtrée.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon la revendication 3 ou 4, pour lequel la seconde boucle de régulation est une régulation à dynamique lente par rapport à une dynamique de la première boucle de régulation de la tension du bus DC en sorte de ne pas générer d’instabilité entre les deux boucles.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel lorsque le deuxième convertisseur (20) subit un appel de charge sur le réseau et que la puissance de la source d’énergie n’augmente pas:
dans un premier temps le tampon d’énergie (30) fournit l’excès de puissance demandée par le réseau en se déchargeant,

dans un deuxième temps, la puissance fournie par le deuxième convertisseur au réseau est abaissée progressivement, afin qu’elle devienne inférieure à la puissance produite par la source d’énergie (10), l’excès d’énergie produite par la source d’énergie permettant alors de recharger le tampon d’énergie au travers du deuxième convertisseur.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon la revendication 6 pour lequel le deuxième convertisseur (20) fournit une puissance au réseau avec une loi de type P = P0 – K(F – F0), avec F la fréquence du réseau, F0 une constante (consigne de fréquence), et K un gain.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon la revendication 6 pour lequel le deuxième convertisseur est piloté en mode source de tension, notamment de type générateur synchrone virtuel (VSG).
Procédé de pilotage d’un système générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes pour lequel dans le cas où la puissance de la source d’énergie est inférieure à un seuil bas, le deuxième convertisseur est configuré pour soutirer de la puissance active du réseau pour recharger le tampon d’énergie au travers du troisième convertisseur.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel un filtre de lissage de fluctuations de puissance de la source d’énergie est implémenté par des séquences de charge/décharge du tampon d’énergie.
Procédé de pilotage d’un système générateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel le tampon d’énergie étant pourvu de plusieurs modules Mi, i=1 … n (30a, 30b), comportant chacun un élément de stockage (31) et un troisième convertisseur (32) de type convertisseur DC/DC mis en série, le procédé comporte une fonction de régulation de l’équilibrage des états de charge des modules, ladite fonction étant implémentée en adaptant le rapport cyclique αi du troisième convertisseur de chaque module Mi au moyen d’un signal de régulation qui dépend de l’énergie stockée mesurée du module Mi par rapport à l’énergie totale du tampon d’énergie.
Système générateur, caractérisé en ce qu’il comporte une source d’alimentation (10) alimentant un bus courant continu (bus DC) au travers d’un premier convertisseur (12), ledit bus DC étant raccordé sur un réseau électrique alternatif au moyen d’un deuxième convertisseur (20) de type continu/alternatif (convertisseur DC/AC) et comportant au moins un tampon d’énergie (30) pourvu d’un élément de stockage d’énergie (31) lui-même raccordé sur le bus DC par un troisième convertisseur (32) de type convertisseur DC/DC et en ce qu’il comporte un ou plusieurs calculateurs (100) reliés à des moyens de mesure de la tension du bus DC, de la puissance de sortie de la source d’énergie, de la puissance du troisième convertisseur et de la charge du tampon d’énergie et configurés pour implémenter le procédé de l’une quelconque des revendications 1 à 11, lesdits premier convertisseur, deuxième convertisseur et troisième convertisseur étant configurables pour être pilotés selon ledit procédé par lesdits un ou plusieurs calculateurs.
Système générateur selon la revendication 12, pour lequel le tampon d’énergie comporte plusieurs modules (30a, 30b) chacun pourvu de son dit troisième convertisseur (32) de type convertisseur DC/DC bidirectionnel contrôlable lesdits troisièmes convertisseurs étant reliés en série sur le bus DC.
Système générateur selon la revendication 13, comportant pour chaque module un condensateur (33) et un composant (34), tel qu’une résistance, connectés en parallèle sur la sortie de son troisième convertisseur, d’équilibrage passif des tensions de sortie des modules.
Système générateur selon la revendication 13 ou 14 comportant un module de gestion de l’équilibrage de l’énergie stockée dans les différents modules qui constituent le tampon d’énergie adapté à piloter le rapport cyclique αi du convertisseur DC/DC d’un module Mi au moyen d’un signal de régulation qui dépend de l’énergie stockée du module Mi par rapport à l’énergie totale du tampon d’énergie en sorte d’augmenter de manière relative la puissance fournie par le ou les modules ayant un stock d’énergie plus élevé et d’équilibrer les états de charge des modules.
Système générateur selon l’une quelconque des revendications 12 à 15, pour lequel ledit au moins un tampon d’énergie comporte un ou plusieurs super-condensateurs comme éléments de stockage d’énergie.
Système générateur selon l’une quelconque des revendications 12 à 16, pour lequel ledit au moins un tampon d’énergie comporte une ou plusieurs batteries comme éléments de stockage d’énergie.
Système générateur selon l’une quelconque des revendications 12 à 17, pour lequel la source d’énergie est une source d’énergie renouvelable constituée d’un ou plusieurs panneaux photovoltaïques, le premier convertisseur étant un convertisseur continu/continu (DC/DC) ou pour lequel la source d’énergie est une source d’énergie renouvelable constituée d’une éolienne, le premier convertisseur étant un convertisseur AC/DC.
Système générateur selon l’une quelconque des revendications 12 à 17, pour lequel la source d’énergie est un réseau électrique alternatif connecté via un convertisseur AC/DC bidirectionnel en puissance.
Système générateur selon l’une quelconque des revendications 12 à 19, comportant sur le bus DC en entrée de l’onduleur un filtre de filtrage des harmoniques générés par la commutation haute fréquence du deuxième convertisseur.