Brevet FR2584209A1 — publié le 19870102

SYSTEME DE COMMANDE D'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE. La présente invention concerre un système de commande d'énergie photovoltaique pour transformer la puissance de sortie d'un réseau de cellules solaires qui produit de l'énergie électrique lorsqu'il reçoit de la lumière solaire, et concerne plus précisément l'amélioration d'un système de commande d'énergie photovoltaTque qui peut être régulé de façon efficace en fonction des fluctuations de la quantité de rayonnement solaire. On connaît un système de commande d'énergie photovoltaîque pour alimenter de façon efficace en énergie électrique, un réseau de distribution, par commande d'une batterie de stockage de telle manière qu'elle soit chargée en cas de surplus d'énergie électrique, ou déchargée en cas d'insuffisance de l'énergie électrique, lorsque la sortie d'un réseau de cellulessolaires est reliée au réseau de distribution par l'intermédiaire d'un ondu'eur. Cependant, comme le réseau de cellules solaires est fortement affecté par les conditions météorologiques lors de la production de puissance, en particulier par les fluctuations de la quantité de rayonnement solaire, la simple utilisation d'une batterie de stockage chargeable et déchargeable n'est pas suffisante pour obtenir une alimentation stable en énergie éLectri- que. La présente invention a donc pour but général, de fournir un système de commande d'énergie photovoltai- que au moyen duquel le problème mentionné ci-dessus, qui est lié à l'art antérieur, peut être résolu. Afin d'atteindre le but mentionné ci-dessus, il est essentiellement fourni un système de commande - 2 - d'énergie photovoltaique dont la structure est la suivante. Comme représenté dans la figure 1, des conditions météorologiques lors de la production de l'énergie électrique, sont sélectionnées parmi divers profils de fluctuations météorologiques prédéterminées, par exemple sur la base des prévisions météorologiques obtenues à l'aube, etc., par un moyen de sélection du profil de fluctuations météorologiques 11. Sur la base de ce profil de fluctuations météorologiques sélectionné, un profil de travail permettant-de choisir l'instant d'actionnement d'onduleurs 2, 3 et 4 est sélectionné par un moyen de sélection du profil de travail 15. Selon le profil de travail, les onduleurs 2, 3 et 4 transforment la puissance de sortie en courant alternatif. Simultanément, lorsqu'il se produit un surplus ou une insuffisance de la puissance de sortie du réseau de cellules solaires 1 par rapport au courant alternatif transformé par les onduleurs 2, 3 et 4, qu'il est prévu d'utiliser, la commande de la charge et de la décharge en énergie électrique, d'une batterie de stockage 8, est effectuée par un moyen de commande de charge et de décharge 6 en fonction du surplus ou de l'insuffisance en énergie électrique et de ce fait, on obtient une production efficace et stable d'énergie photovoltaique vis-à-vis d'un système de charge 5. Lorsqu'un profil de fluctuations météorologiques du jour est sélectionné, un profil de travail est sélectionné sur la base de celui-ci, et l'instant de fonctionnement des onduleurs adaptés à transformer la puissance de sortie du réseau de cellules solaires en puissance de courant alternatif, est déterminé automati- quement. Le surplus d'énergie électrique de sortie du réseau de cellules solaires par rapport à la puissance électrique pour usage prévu, de l'onduleur, est prélevé de façon appropriée au réseau de cellules solaires afin de charger - 3 - la batterie. En cas d'insuffisance de l'énergie électrique, la puissance est prélevée de façon appropriée par déchar- ge d'une batterie de stockage pour atimenter le réseau de distribution par l'intermédiaire de l'onduleur. Les buts ci-dessus ainsi que d'autres buts, caractéristiques et avantages de La présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci- après, d'un mode de réalisation de la présente invention, tel qu'il est illustré dans les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une illustration schématique correspon- dant aux revendications; - La figure 2 est un schéma fonctionnel représentant la structure des circuits d'un système de la présente invention; - la figure 3 est également un diagramme fonctionnel représentant de façon pLus détaillée la structure de la figure 2; - la figure 4 est un graphique expliquant la sélection d'un profil de fluctuations météorologiques; - la figure 5 est également un graphique expliquant un profil météorologique; - la figure 6 est un graphique expliquant un exemple de fonctionnement d'un système de commande d'énergie photovoltaique; - la figure 7 est un graphique décrivant le profil de fonctionnement de celui-ci; et - la figure 8 est un graphique expliquant un autre profil de fonctionnement. Un mode de réalisation préféré de la présente invention est décrit ciaprès en référence aux dessins annexes. Comme le montre la figure 2, un réseau de cellules solaires 1 comporte un premier, un second et un troisième onduleurs 2, 3 et 4 à sa sortie. A la sortie des onduleurs - 4 respectifs 2, 3 et 4, se trouve relié un système de charge 5 adapté à fournir un courant électrique. De même, à l'entrée des onduleurs respectifs 2, 3 et 4, est connectée la sortie d'un appareil de commande de charge et de décharge 6. Cet appareil de commande de charge et décharge 6 est connecté à un transformateur de courant 7 pour la détection d'énergie électrique, dis- posé à la sortie des onduleurs respectifs 2, 3 et 4. En outre, cet appareil de commande de charge-décharge 6 est connecté à une batterie de stockage 8 et à un dispositif 9 de contrôle de la batterie de stockage. Par ailleurs, au voisinage du réseau de cellules solaires 1, se trouve un actinomètre 10. La figure 3 illustre la répartition des signaux respectifs S1 à S12 représentés dans la figure 2. Un signal de rayonnement solaire S1 provenant de l'acti- nomètre 10 est fourni à un moyen de sélection du profil des fluctuations météorologiques 11 ainsi qu'à des moyens d'actionnement 12, 13 et 14 des trois onduleurs respectivement. La sortie du moyen de sélection du profil de fluctuations météorologiques 11 est en outre fourni à un moyen de sélection du profil de travail 15. La sortie du moyen de sélection du profil de travail 15 est respectivement fournieaux moyens 12, 13 et 14 d'actionnement des onduleurs. En provenance des moyens 12, 13 et 14 respectifs d'actionnement des onduleurs, les premier, second et troisième signaux de commande d'actionnement des onduleurs S2, S3 et S4, sont fournis aux onduleurs respectifs 2, 3 et 4. Le signal de sortie S5 du réseau de cellules solaires 1 est fourni aux moyens respectifs 12, 13 et 14 d'actionnement des onduleurs. Il est à noter que le moyen de sélection du profil de fluctuations météorologiques 11 et le moyen de sélection du profil de travail 15, ou que les moyens - 5 - pour commander les signaux respectifs qui s'y rappor- tent, constituent la fonction d'un micro-ordinateur. Un.premier, un second et un troisième signaux de détection d'actionnement S6, S7 et S8 sont fournis en sortie par les onduleurs respectifs 2, 3 et 4. Les signaux de détection d'actionnement respectifs sont fournis à un moyen de détection de fonctionnement d'onduleurs 16. En outre, la sortie du moyen de détection de fonctionnement d'onduleurs 16 est fournieà un moyen 17 de production de signaux de commande de charge-décharge. Ce moyen de production de signaux de commande de charge- décharge 17, produit un signal de commande de limite supérieure d'energie électrique S9 et un signal de commande de limite inférieure d'énergie électrique S10. Les deux signaux S9 et S10 sont respectivement fournis à l'appareil de commande de charge-décharge 6 représenté dans la figure 1. A l'appareil de commande de charge- décharge 6 est connecté le dispositif de contrôle 9 de la batterie de stockage. Ce dispositif de contrôle 9 de la batterie de stockage fournit en sortie un signal de détection de la quantité restante S i. Le signal Sil de détection de la quantité restante est fourni respec- tivement au premier, au second et au troisième moyens 12, 13 et 14 d'actionnement des onduleurs, ainsi qu'à un moyen de commande de permission de charge-décharge 18. De plus, un signal de commande de charge-décharge S12 provenant du moyen de commande de permission de charge- décharge 18, est fourni à l'appareil de commande 6 de charge et décharge d'énercie électrique mentionné plus haut. Dans la figure 3, le numéro de référence 19 désigne une horloge pour la détermination de la base de temps servant à l'actionnement des moyens respectifs, et le numéro de référence 2C désigne un moyen de détection de l'état d'actionnement pour la détection de l'état d'actionnement des moyens respectifs. De même, le -6 - numéro de référence 21 désigne un enregistreur adapté à effectuer un enregistrement sur la base de la sortie du moyen de détection de L'état d'actionnement 20. On décrira ensuite le fonctionnement d'un système seton ce mode de réalisation en se référant aux figures 4 et 5, ainsi qu'auxtabLeauxl et 2. En premier lieu, afin de sélectionner un profil de fluctuations météorologiques souhaité, l'enregistreur 21 commence à enregistrer Le signal de rayonnement solaire S1 dès Le début du fonctionnement du système, et une courbe de fluctuations du rayonnement solaire H est obtenue de la façon représentée à titre d'exemple dans la figure 4. Sur la base de ce qui a été décrit ci-dessus, une quantité moyenne du rayonnement solaire au cours d'un intervalle de temps allant d'un instant de démarrage T (un certain temps S après le Lever du soleil (sept heures du matin par exemple) jusqu'à un instant d'anticipation du temps T0 (neuf heures du matin par exemple" du système est calcuLée et ce résultat calculé est utilisé pour déterminer la relation qu'il aura, par exemple, vis-à-vis d'une valeur de limite supérieure de la quantité de rayonnement solaire h1 ou d'une valeur de limite inférieure de la quantité de rayonnement solaire h2 présélectionnée. Plus précisément, il est déterminé si la quantité moyenne du rayonnement solaire obtenue se situe dans une région R1 dépassant la vaLeur de la limite supérieure de la quantité de rayonnement solaire h, ou dans une région R2 comprise entre la limite supérieure de la quantité de rayonnement solaire et la limite inférieure de la quantité de rayonnement solaire h, ou dans une région R3 se trouvant sous la valeur h de la limite inférieure de la quantité de rayonnement solaire. Sur la base de ce qui a été décrit ci-dessus, un profil de fluctuations météorologiques approprié est sélectionné de façon correspondante. On décrit ci-après de façon détaillée, la sélec- - 7 - tion d'un profil météorologique. Selon La région dans laquelle se trouve La quantité de rayonnement solaire moyenne calculée, un profil est choisi par exemple parmi un profil de beau temps PA' un profil nuageux P et un profit pluvieux PC' en tant que profil météorolo- gique préselectionné comme le représente la figure 5, par exemple à partir d'une tabulation établie à partir des prévisions météorologiques des années précédentes, ou de données météorologiques détaillées obtenues au moyen d'un satellite météorologique. Dans ce cas, si les trois profils détaillés ci-dessus sont en outre classifiés sous forme de plusieurs profils, par exemple, de douze profils comme cela sera décrit ci-après, pour les quatre saisons, on peut obtenir un profil complet qui peut représenterde façon suffisante les fluctuations de la quantité de rayonnement solaire tout au long d'une année. Les profils météorologiques respectifs PA' PB et PC peuvent également être sélectionnés sur la base d'une prévision météorologique effectuée à l'instant d'anticipation du temps T0. - 8 - TABLEAU 1 Lorsqu'un profil météorologique est sélectionné, un profil d'actionnement des onduleurs (dans ce cas, les numéros des onduleurs actionnés) est sélectionné. Dans le cas o l'on utilise par exemple un système de commande d'énergie photovoltaique de la classe des 600 KW, comme la valeur de la limite supérieure et la valeur de la limite inférieure de la puissance pour usage prévu par les onrduleurs, en fonction des profils météorologiques sont déjà connues en détail, comme le montre le tableau 2 fourni ci-après, les profils d'actionnement PREVISIONS METEOROLOGIQUES PROFILS METEOROLOGIQUES Nuageux après beau temps, beau temps après nuageux, beau temps et momentané- Profil beau temps ment pluvieux, beau temps et parfois nuageux, nua- geux et parfois beau temps Nuageux, beau temps et parfois nuageux, nuageux et parfois beau temps, pluvieux après nuageux, nuageux après pluvieux, Profil nuageux nuageux et momentané- ment pluvieux, nuageux et parfois pluvieux Pluvieux, autres Profil pluvieux - 9 - des onduleurs sont automatiquement sélectionnés en correspondance avec les profils météorologi- ques respectifs. Il est à noter que le terme"puissance pour usage prévu" désineuneénergie électrique de courant alter- natif transformée par les onduleurs. Elle peut être égale à la puissance de sortie maximale des onduleurs. Cependant, d'une manière générale, elle est choisie de façon à être légèrement inférieure à la puissance de sortie maximale des onduleurs. Dans certains cas (en particulier lorsque plusieurs onduleurs sont actionnés), elle est choisie de façon à se situer dans une gamme prédéterminée, telle que représentéedans le tableau 2. TABLEAU 2 Printemps PUISSAM!CE POUR USAGE PREVU - SAISONS ROFILS (KW) METEOROLOGIQUES Limite supérieure Limite inférieure 1 i 1 - Profil beau temps Profil nuageux 205 150 Profil pluvieux 150 125 Profil beau temps 415 210 Profil nuageux 240 160 Profi l pluvieux 150 125 Profil beau temps 375 205 Profil nuageux 170 140 Profil pluvieux 150 125 Profil beau temps 330 170 Profil nuageux 145 130 Profil pluvieux 150 125 Automne i - 10 - Plus précisément, lorsqu'un profil météorologi- que est sélectionné à l'instant d'anticipation du temps TO, les valeurs de la limite supérieure de la puissance pour usage prévu sont déterminées comme étant égales à 425 kW, 205 kW et 150 kW, respectivement, pour un jour de beau temps, un jour nuageux et un jour pluvieux, par exemple au printemps. Par conséquent, comme le montre le tableau 3, des onduleurs ayant par exemple une capacité maximale de 175 kW peuvent être actionnés au nombre respectif de 3, 2 et 1. TABLEAU 3 Lorsqu'un profil météorologique et qu'un profil J' actionnement sont sélectionnés de cette manière, un onduleur prédéterminé commence à fonctionner, et le réseau de cellules solaires 1 commence à alimenter en énergie électrique le système de charge 5. VALEURS DE LA LIMITE SUPERIEURE PROFILS D'ACTIONNEMENT DE LA PUISSANCE POUR USAGE (NOMBRE DES ONDULEURS EN PREVU (KW) FONCTIONNEMENT) 425 175 kW X 3 205 175 kW X 2 175 kWX 1 415 150 kW X 3 240 150 kW X 2 150 kW X 1 375 200 kWX 2 200 kW X 1 200 kWX 1 330 175 kWX 2 175 kWX 1 175 kWX 1 - 11 - A titre d'exemple, dans le cas d'un profit beau temps en hiver, comme représenté dans la figure 6, un premier onduleur 2 ayant par exemple une capacité de kW commence à fonctionner lors du démarrage du système. Lors de La sélection du profil météorologique et du profil d'actionnement, un second onduleur 3 ayant par exemple une capacité de 175 kW commence à fonctionner en plus de l'onduleur 2, après l'instant d'anticipation du temps TO. Il est à noter que l'aLi- mentation en énergie électrique qui ne fait intervenir que le réseau de cellules solaires I est difficile à mettre en oeuvre entre un instant de début de fonction- nement T du système, et un instant TX o La puissance de sortie du réseau de cellules solaires 1 dépasse la puissance de sortie maximale (valeur proche de La valeur de la limite inférieure P (170 kW) de la puissance pour usa- ge prévu) du premier onduleur 2. Dans ce cas, l'insuffi- sance (partie représentée par Fa dans la figure 6) est compensée par un apport d'énergie électrique produit par la décharge de la batterie de stockage 8. Après un instant T o la quantité de rayonnement Y solaire augmente au cours du temps et o la puissance de sortie du réseau de cellule solaire 1 dépasse la valeur de la limite supérieure Pa (330 kW) de la puissance pour usage prévu par les premier et second onduleurs 2 et 3, le surplus de puissance de sortie (la partie re- présentée par Fb dans la figure 6), sert à charger la batterie de stockage 8. Après un instant T lorsque la quantité de z rayonnement solaire diminue et que la puissance de sortie de la batterie de cellules solaires 1 devient inférieure à la valeur de la limite supérieure P de la puissance a pour usage prévu, la charge de la batterie de stockage 8 est interrompue. Lorsque la quantité de rayonnement solaire diminue encore et que la puissance de sortie du réseau de - 12 - cellules solaires 1 devient inférieure à la vaLeur de La Limite supérieure P de la puissance pour usage prévu, Le a fonctionnement du second onduleur 3 est interrompu (Ty), et seul Le second onduLeur 2 continte à fonctionner. De plus, Lorsque le coucher de soleiL approche et que la puissance de sortie du réseau de cellules solaires 1 devient inférieure à la valeur de La limite inférieure P de la puissance pour usage prévu (instant Tq), l'insuffisance (partie représentée par F c dans la figure 6) est de nouveau compensée par l'alimentation en énergie électri- que produite par la décharge de batterie de stockage 8. A l'instant T o la capacité restante de la batterie P de stockage 8 devient par exemple égale à 80 %, le fonc- tionnement du système est interrompu le jour o l'énergie électrique est produite. La sélection des profils de fonctionnement peut être basée sur le profil météorologique sélectionné qui peut être obtenu sur la base de la courbe des fluctuations de la quantité prévue de rayonnement solaire du jour complet H, par exemple comme représenté dans la figure 7, le jour o l'énergie électrique est produite. Plus précisément, l'instant de déclenchement du fonctionnement t1 et L'instant d'avertissement d'arrêt de fonctionnement to des onduleurs respectifs 2, 3 et 4 (le nombre des ondu- Leurs en fonctionnement est supposé être le même), sont déterminés sur la base de la courbe H des fluctuations a de la quantite prévue de rayonnement solairedu jour complet. En d'autres termes, lorsque la quantité de rayonnement solaire à l'instant de début de fonctionnement t1, le jour o l'énergie électrique est produite, dépasse la valeur h2 de la quantité de rayonnement solaire produite, qui est prédéterminée sur la base du profil de fonction- nement, les onduleurs respectifs 2, 3 et 4 commencent à fonctionner, et lorsque la quantité de rayonnement solaire, après L'instant d'arrêt de fonctionnement prévu - 13 - t0, devient inférieure à la valeur h- de la quantité de rayonnement solaire produite, les onduleurs respectifs 2, 3 et 4 sont arrêtés à l'instant t2. PLus précisément, le profil de fonctionnement des onduleurs est dans ce cas remplacé par l'instant de fonctionnement des ondu- leurs. Dans le cas ci-dessus, le profil de fonctionne- ment servant à la décision d'un début de fonctionnement ou d'un arrêt de fonctionnement des onduLeurs respectifs, repose sur la quantité de rayonnement solaire. Cependant, comme les onduleurs respectifs 2, 3 et 4 sont directement soumis à la puissance de sortie du réseau de cellules solaires 1, l'instant de début de fonctionnement t10, etc., peut être déterminé respectivement sur la base d'une valeur choisie de la puissance de sortie h4 du réseau de cellules solaires 1, par rapport à la courbe P0 des fluctuations de la puissance de sortie du jour complet. De cette manière, l'instant de mise en marche des onduleurs respectifs 2, 3 et 4 peut être choisi par la sélection d'un profil de capacité de puissance. PLus précisément, ii est décidé de mettre en marche ou d'arrêter les onduleurs respectifs 2, 3 et 4 lors de la réception de sicnaux de commande de fonctionnement S2, S3 et S4 des trois onduleurs, respectivement produits par les appareils d'actionnement 1', 13 et 14 des trois onduleurs sur la base d'une instruction provenant du moyen de sélection de profil de travail. En outre, les onduleurs respectifs 2, 3 et 4 délivrent des signaux de détection d'actionnement respectifs S6, S7 et S8' et le moyen16 de détection de fonctionnement des onduleurs détecte l'état de fonctionnement des onduleurs respectifs 2, 3 et 4 (par exemple, lequel des onduleurs parmi les onduleurs respectifs se trouve en état de fonctionnement et lequel se trouve en état de non fonc- - 14 - tionnement). A la réception des signaux de détection S6, S7 et S8, le moyen de production de signaux de commande de charge et de décharge 18, produit un signal S9 de commande de limite supérieure de la puissance électrique correspondant à la valeur de la Limite supérieure Pa de la puissance pour usage prévu à la date o l'énerrie électrique sera produite, et un signal S10 de cordlr.ande de limite infé- rieure de la puissance électrique correspondant à la valeur de la limite inférieure P de la puissance pour usage prévu, et ces deux signaux de commande S9 et S10 sont fournis à l'appareil de commande de chargedécharge 6. Comme l'appareil de commande de charge-décharge 6 reçoit un signal de commande de charge-décharge S12 en provenance du moyen de commande de permission de charge-décharge 15, la batterie de stockage 8 est chargée et déchargée selon les surplus et insuffisances de la puissance pour usage prévu de la puissance produite par le réseau de cellules solaires 1. Comme la batterie de stockage 8 est munie d'un dispositif de contrôle 7 de la batterie de stockage, la quantité restante dans la batterie de stockage 8 est surveillée en permanence, et il n'y a pas de risque qu'il se produise une surcharge ou une charge insuffisante. Bien que l'on utilise dans ce mode de réalisation trois ondu- leurs, ce nombre peut être accru selon le système de charge utilisé et la quantité nécessaire. Comme décrit dans ce qui précède, conformément à la présente invention, un profil de fluctuations météo- rologiquesest déterminé sur la base d'une information de prévisions météorologiques le jour o l'énergie électri- que est produite, et un profil de fonctionnement des onduleurs est sélectionné à partir de ce profil de fluc- tuations pour commander le fonctionnement des onduleurs. Par conséquent, une alimentation stable en énergie élec- trique est obtenue de façon permanente quelles que soient les fluctuations ou Les variations météorologiques le - 15 - jour o l'énergie électrique est produite. Bien qu'un mode de réalisation particulier de la présente invention ait été présenté et décrit en détail pour illustrer l'application des principes de la présente invention, on notera que celle-ci peut être mise en oeuvre autrement sans que l'on s'écarte du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Système de commande d'énergie photovoltalque caractérisé en ce qu'iL comprend au moins un onduleur (2, 3, 4) pour transformer la puissance de sortie d'un réseau de cellules solaires (1) en un courant alternatif, et un moyen (6) de commande de charge-décharge pour charger une batterie de stockage (8) en cas de surplus par rapport à La puissance pour usage prévu de La puissance de sortie dudit réseau de cellulessoLairey, et décharger ladite batterie de stockage en cas d'insuffisance par rapport à la puissance pour usage prévu de la puissance de sortie dudit réseau de cellules solaires, par détection du surplus ou de l'insuffisance qui se produisent entre la puissance de sortie dudit réseau de cellules solaires et la puissan- ce de courant alternatif pour usage prévu transformée par ledit onduLeur, et en ce qu'il comprend en outre: - un moyen (11) de sélection d'un profit de fluctuations météorologiques pour sélectionner un profil météorolo- gique parmi divers types de profils météorologiques prédéterminés, basés sur une information météorologique à l'instant o les prévisions météorologiques sont effectuées le jour o l'énergie électrique est produite par Ledit réseau de cellules solaires; et - un moyen (15) de sélection d'un profil de travail pour sélectionner un profil de fonctionnement de l'onduleur correspondant au profil météorologique sélectionné par ledit moyen de sélection de profil de fluctuations météorologiques parmi divers profils de fonctionnement de l'onduleur prédéterminés en correspondance avec ledit profil météorologique. 2. Système de commande d'énergie photovoltaique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits profils de fonctionnement de l'onduleur (2, 3, 4) corres- pondent au nombre d'onduleurs en fonctionnement ayant une capacité prédéterminée. 3. Système de commande d'énergie photovoltalque selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits profils de fonctionnement de l'onduleur (2, 3, 4) cor- respondent à l'instant d'actionnement d'onduleurs ayant une capacité prédéterminée.