Brevet FR3033452A1 — publié le 20160909

PROCEDE ET SYSTEME D'ALLOCATI ON D'UNE REQUETE DE PUI SSANCE A UNE PLURALI TE DE BATTERI ES CONNECTEES EN PARALLELE La présente invention concerne de façon générale les systèmes de stockage et de restitution d'énergie utilisant plusieurs batteries connectées en parallèle, et plus précisément un procédé et un système d'allocation d'une requête de puissance à une pluralité de batteries comprises dans un tel système de stockage et de restitution d'énergie. Les besoins de stockage de l'énergie électrique se développent dans le monde. Les systèmes développés doivent répondre à des demandes issues d'un système tiers plus global de gestion d'énergie pour stocker ponctuellement une certaine quantité d'énergie, correspondant par exemple à une opportunité tarifaire particulière, ou à un excédent imprévu de production d'origine renouvelable, ou pour fournir une assistance au réseau électrique en restituant ponctuellement l'énergie stockée, par exemple pour lisser une pointe de consommation, ou pour compenser un déficit dans la production attendue d'énergies renouvelables. Ces besoins s'expriment sous la forme d'une puissance PREQ, 20 d'absorption ou de restitution selon les cas, demandée au système de stockage pendant une durée donnée, et donc d'une quantité d'énergie associée. Par nature, ces besoins ne sont pas obligatoirement ordonnés (alternance de phases de stockage et de déstockage) et peuvent excéder les 25 capacités forcément limitées d'un système de stockage. Ainsi, par exemple, lorsque les batteries d'un système de stockage sont toutes complètement chargées, la puissance absorbable, et a fortiori l'énergie absorbable par le système, sont nulles. Le système n'est donc plus disponible pour une requête de puissance d'absorption supplémentaire. 30 Certaines architectures connues comportent des batteries qui sont directement reliées en parallèle à un même bus électrique. L'inconvénient de ces architectures réside dans le fait que seule la puissance globale peut être contrôlée, et se répartir entre les batteries selon leur impédance interne. Dans ce cas, la batterie la plus vieillie du système va en premier conduire à limiter 3033452 2 la puissance exploitable, et interdire ainsi d'exploiter les pleines possibilités des autres batteries. D'autres architectures préférées comprennent une pluralité de batteries connectées en parallèle mais pilotables individuellement. 5 Le document US 2012/0249048 décrit par exemple une telle architecture dans laquelle on peut choisir une ou plusieurs batteries à faire fonctionner pour répondre à une requête de puissance. Le principal inconvénient du système décrit dans ce document est qu'il s'attache à répondre à la requête, sans tenir compte de la préservation de la disponibilité 10 globale du système. La présente invention a pour objet, entre autres, de pallier l'inconvénient précédent. Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé d'allocation d'une 15 requête de puissance PREQ à une pluralité de batteries connectées en parallèle, le procédé comportant : - une étape de détermination d'une combinaison de batteries, parmi ladite pluralité de batteries, optimisée pour répondre à la requête de puissance en utilisant le plus grand nombre possible de batteries ; - une étape d'allocation d'un niveau de puissance à chacune des batteries de ladite combinaison optimisée. Selon certaines caractéristiques additionnelles possibles : - l'étape de détermination d'une combinaison de batteries optimisée 25 détermine ladite combinaison à partir d'une puissance minimale Pmin(i) requise pour le fonctionnement associée à chaque batterie i ; - l'étape de détermination d'une combinaison de batteries optimisée détermine la combinaison comportant le plus grand nombre de batteries i pour laquelle la relation suivante est vérifiée : 30 PREQ > Pmin(i) avec Pmin(i) la puissance minimale associée à chaque batterie i de la 3033452 3 combinaison. - l'étape de détermination d'une combinaison de batteries optimisée inclut avantageusement, à partir d'une combinaison d'origine comportant l'ensemble des batteries i, de procéder successivement au retrait d'une 5 batterie de la combinaison jusqu'à ce que la relation suivante soit vérifiée : PREQ > Pmin(i) - les batteries sont de préférence retirées successivement par ordre décroissant de leur puissance minimale de fonctionnement associée ; - l'étape de détermination d'une combinaison de batteries optimisée 10 peut comporter une sous-étape préalable de priorisation par laquelle on impose qu'une ou plusieurs batteries, dites prioritaires, de la pluralité de batteries, fassent partie de la combinaison optimisée ; - on peut imposer la relation suivante pour chaque batterie i prioritaire : 15 Prinin(i)=Prinax(i) dans laquelle Pmax(i) est la puissance maximale possible pour une batterie i. - l'étape d'allocation d'un niveau de puissance à chacune des batteries de ladite combinaison optimisée peut comporter la détermination pour chaque batterie i de la combinaison, d'une puissance P(i) selon la relation : 20 P(i) = Pmin(i) + (M(i)//M(i)) * (PREQ /Prnin(i) ) dans laquelle M(i) est la marge de fonctionnement de la batterie i. - le procédé comprend de préférence une étape préalable lors de laquelle on compare la requête de puissance PREQ à la puissance minimale requise pour le fonctionnement des batteries. L'étape préalable peut inclure de 25 déterminer si la relation suivante est vérifiée : PREQ > Min (Pmin(i)) 3033452 4 avec Pmin(i) la puissance minimale requise pour le fonctionnement d'une batterie i. La présente invention a également pour objet un système d'allocation d'une requête de puissance PREQ à une pluralité de batteries connectées en 5 parallèle d'un système de stockage d'énergie électrique, comportant un système de contrôle global apte à: - déterminer une combinaison de batteries, parmi ladite pluralité de batteries, optimisée pour répondre à la requête de puissance en utilisant le plus grand nombre possible de batteries ; 10 - allouer un niveau de puissance à chacune des batteries de ladite combinaison optimisée. L'invention et les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante, faite en référence aux figures annexées, dans 15 lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple d'architecture pour l'allocation d'une requête de puissance à une pluralité de batteries connectées en parallèle, conformément à l'invention ; - la figure 2 représente un exemple de succession d'étapes qui 20 peuvent être mises en oeuvre conformément à la présente invention. En référence à la figure 1, on considère un système de stockage et de restitution d'énergie électrique comportant N modules Mi à MN connectés en parallèles sur une même ligne, par exemple un Bus électrique 1, elle-même relié au réseau électrique basse tension 2. Le nombre N de modules n'est théoriquement pas limité, et varie en pratique entre 2 et 12. Chaque module Mi comporte une batterie 3i, et une électronique de puissance pilotable associée composée principalement : - d'une part, d'un onduleur 4; qui permet de décharger la batterie 3;, et donc de restituer une certaine quantité d'énergie, et 3033452 5 - d'autre part, d'un chargeur 5; qui permet de charger la batterie 3; avec l'électricité du réseau 2, et donc de stocker une certaine quantité d'énergie. Pour ne pas surcharger inutilement la figure 1, seuls les éléments 5 essentiels des modules de stockage et de restitution M1 et MN portent des références sur cette figure. L'architecture comporte en outre un système 6 de contrôle global qui permet de : - piloter indépendamment chaque module M; pour lui faire réaliser une 10 puissance choisie, compatible avec les limites courantes de la batterie considérée - coordonner la puissance demandée à chaque module M; pour répondre à une demande globale reçue par le système de stockage. Dans l'exemple représenté, le système 6 de contrôle global comporte 15 essentiellement un module de contrôle 60 et un module d'interface 61 pour relier le système 6, de préférence par des liaisons 7 et 8 de données série de type CAN ou ModBus, d'une part, à chaque batterie 3;, et d'autre part à chaque onduleur 4; et chargeur 5;. Ici encore, par souci de simplification, seules les liaisons entre le module d'interface 61 et le module de stockage et 20 de restitution d'énergie M1 ont été représentées. De nombreux interrupteurs présents sur la figure illustrent le fait que chaque batterie est pilotable de façon indépendante pour stocker de l'énergie électrique en provenance du réseau 2 ou pour restituer une énergie stockée préalablement à ce réseau 2, tout ceci sous le contrôle du système 6 de 25 contrôle global. Dans le cas d'un système de stockage composé en interne de plusieurs batteries pilotables indépendamment (c'est-à-dire non reliées à un même BUS électrique), les quantités d'énergie disponibles sont-elles aussi limitées. Toutefois, la présente invention repose sur le fait qu'il est possible 30 d'éviter au maximum que certaines de ces batteries n'arrivent prématurément dans un état extrême de fonctionnement (plein ou vide par exemple) dans 3033452 6 lequel elles deviendraient indisponibles. En effet, leur indisponibilité provoque non seulement une limitation de l'énergie disponible, mais également de la puissance mobilisable. Il importe donc de piloter le remplissage de chaque batterie, de manière à préserver le plus possible les puissances exploitables 5 pour le système de stockage. Dans la suite de l'exposé, les notations suivantes seront utilisées pour chaque module Mi de batterie : - Pmin(i) est la puissance minimale requise pour le fonctionnement du module. Cette puissance minimale correspond à un courant minimal en-10 dessous duquel il n'est pas possible de mesurer le courant avec suffisamment de précisions pour effectuer une régulation correcte. Cette puissance minimale est une donnée constructeur qui peut être avantageusement stockée dans une table (non représentée) du système 6 de contrôle global ; - Pmax(i) est la puissance maximale possible pour le fonctionnement du 15 module. Cette puissance correspond à la valeur miminum entre la puissance maximum acceptée par l'électronique de puissance de chaque module Mi et la puissance maximum acceptée par la batterie. Cette puissance maximale est variable, en particulier en fonction de la température. Chaque contrôleur (non représenté) de la batterie 3;, et de l'électronique de puissance 4i, 5i envoie par 20 les liaisons 7, 8 leur valeur de puissance maximum acceptée. Le système 6 de contrôle global est donc en mesure de connaître la valeur Pmax(i) ; - SOC(i) est l'état de charge de la batterie dans le module Mi. Chaque contrôleur (non représenté) de batterie 3; envoie par la liaison 7 la valeur de l'état de charge ; 25 - M(i) est la marge du module Mi, et correspond à la différence entre Pmax(i) et Pmin(i) ; - P(i) est la puissance attribuée à chaque module Mi par le système 6 de contrôle global pour répondre à une requête en puissance PREQ, qu'il s'agisse d'une requête de stockage d'énergie ou de restitution d'énergie. 30 3033452 7 Le procédé d'allocation des puissances P(i) entre les modules Mi, mis en oeuvre par le système 6 de contrôle global pour répondre à une requête en puissance PREQ, a pour objectif d'optimiser la disponibilité des modules Mi pour pouvoir offrir à tout moment le service le plus complet possible. Ce procédé va 5 se dérouler en plusieurs étapes, schématisées sur la figure 2, comportant: - une étape optionnelle S0 de faisabilité ; - une étape S1 de détermination d'une combinaison optimisée de modules parmi la pluralité de modules Mi, de façon à utiliser le plus grand nombre possible de modules pour répondre à la requête ; et 10 - une étape S2 lors de laquelle chaque modules Mi de la combinaison optimisée précédente se voit alloué une puissance P(i). L'étape So de faisabilité permet de s'assurer que la requête reçue PREQ entre bien dans les possibilités physiques du système de stockage et de 15 restitution d'énergie électrique. Comme indiqué précédemment, il existe une valeur de puissance minimale Pmin(i) pour pouvoir mettre un module Mi en fonctionnement. Plus qu'une contrainte physique des composants du module Mi, cette valeur correspond à un minimum imposé pour assurer une fiabilité à la réalisation des requêtes acceptées. En effet, des puissances trop faibles ne 20 permettraient pas d'assurer une précision suffisante pour répondre aux critères de satisfactions du service proposé. Une requête est considérée comme non réalisable si la puissance demandée PREQ ne répond à ce critère pour aucun des modules composant le système. 25 Le critère de faisabilité peut donc être décrit sous la forme suivante : la puissance PREQ demandée dans la requête doit être supérieure à la plus petite des puissances minimales requises pour le fonctionnement d'un des modules composant le système. Autrement dit, il faut au moins un module Mi apte à réaliser la requête. Ceci se traduit par la relation suivante : 3033452 8 PREQ > Min (Pmin(i)) Si, lors de l'étape So, le module de contrôle 60 détermine que la relation précédente n'est pas vérifiée, alors la requête sera considérée comme non réalisable et sera refusée. Dans le cas contraire, le procédé continue par 5 l'étape 61. Lors de cette étape, le système 6 de contrôle global doit trouver, parmi la pluralité de modules Mi, la meilleure combinaison possible qui permettra d'utiliser simultanément le plus possible de modules Mi pour répondre à la requête. Pour ce faire, un certain nombre de critères peuvent être 10 avantageusement inspectés : Selon un premier critère, et outre l'objectif principal d'optimisation des disponibilités proposées par le système, on peut imposer des priorités sur certains modules Mi. Par exemple, il peut s'agir de donner priorité aux batteries dont on souhaite tester la capacité résiduelle, ce type de test 15 nécessitant de charger complètement puis décharger complètement ladite batterie, au maximum de sa puissance. Dans un cas particulier nullement limitatif, on imposera qu'un module prioritaire devra utiliser sa puissance maximale pour chaque réalisation. Autrement dit, un module Mi prioritaire sera tel que : 20 Pmin(i) = Pmax(i) Dans d'autres cas plus généraux, on imposera une puissance de fonctionnement Pchoi(i) à un module prioritaire Mi, de sorte que l'on aura la relation : Pmin(i) = Prnax(i)=Pcnoi(i) 25 Dans une sous-étape de l'étape Si, on vérifie avantageusement que le ou les modules dits « prioritaires » peuvent bien être utilisés pour la réalisation de la requête reçue, dont nous savons déjà, par l'étape So, qu'elle est réalisable. Le premier test à effectuer dans ce cadre est basé sur la même 30 considération que précédemment mais en considérant les caractéristiques du 3033452 9 ou des modules prioritaires comme une contrainte additionnelle. En effet, l'objectif est de regarder si, en utilisant le(s) module(s) prioritaire(s), la requête est toujours réalisable: PREQ > SOMMe(PChoi(J)) + Min ( Pmin(i) ) 5 Avec i différent de j A titre d'exemple non limitatif, considérons que seul le module Mi est un module prioritaire pour lequel on impose Pmin(1)=Pmax(1)- La relation précédente qu'il conviendra de vérifier devient alors : PREQ > PChoe) + Min ( Pmin(i) ) 10 Avec i différent de 1 Cela revient à s'assurer que si nous utilisons le module prioritaire M1, le "reste" de la requête qui est constitué de la différence entre la puissance demandée PREQ et la puissance du module prioritaire Pnnax(1) peut toujours être réalisée par au moins un des autres modules. 15 Si le module de contrôle 60 détermine que la relation précédente n'est pas vérifiée, le module prioritaire ne sera pas considéré lors de l'allocation des puissances, ce qui signifie en d'autres termes que le module Mi sera exclu de la combinaison optimisée. Dans le cas contraire, le module prioritaire Mi sera forcément utilisé lors de l'allocation des puissances. Il fera donc partie 20 obligatoirement de la combinaison optimisée déterminée à l'issue de l'étape Si, et ne pourra plus en être retiré. Une fois que les modules prioritaires, s'ils existent, ont été traités, l'étape Si se poursuit dans la recherche de la meilleure combinaison possible en terme de nombre de modules: Pour respecter l'objectif global de 25 disponibilité résiduelle du système, le système 6 de contrôle global va essayer, conformément à l'invention, de faire participer le plus de modules possibles (hors critères de priorité précédent). Le premier test consiste à vérifier si tous les modules peuvent être mis à contribution, autrement dit si la requête PREQ est bien supérieure à la somme de puissances minimales requises au 30 fonctionnement de chaque module (en fonction du résultat de la sous-étape 3033452 10 précédente, les systèmes prioritaires sont considérés ou non dans le calcul). Cela se traduit par la relation suivante : PREQ > Pmin(i) 5 Si le module de contrôle 60 détermine que cette relation est vérifiée, tous les modules seront mis à contribution et le module de contrôle 60 pourra passer à l'étape suivante S2 pour calculer la puissance allouée à chacun. Dans le cas contraire, on procède au retrait successif des modules du calcul jusqu'à avoir une réponse positive au test précédent. On rappelle que le 10 retrait ne peut concerner un module prioritaire. Parmi les modules non prioritaires restant, les retraits sont définis selon un certain ordre, de préférence en retirant un module à chaque itération, les modules étant retirés par ordre décroissant de Pmin(i), soit d'abord le Pmin le plus élevé parmi les modules non prioritaires. 15 Des critères additionnels de retrait peuvent être également utilisés, notamment dans les situations où deux modules donnés présentent des valeurs Pmin très proches (typiquement+/- 200W). Dans ce cas, on préfèrera retirer le module Mi dont la batterie présente un état de charge SOC(i) qui favoriserait un vieillissement plus rapide. Pour ce faire, le système 6 de 20 contrôle global dispose d'une table (non représenté), indiquant les zones de vieillissement pour chaque batterie 3i. En fonction du sens de la requête (stockage ou restitution), le système 6 pourra exclure la batterie dont la valeur d'état de charge est la plus éloignée des valeurs de SOC redoutées. A titre d'exemple, considérons que l'état de charge d'un premier 25 module 1 est de 30%, que l'état de charge d'un deuxième module est de 70% et que la valeur redoutée pour ces deux systèmes est de 50%. La différence entre le SOC des modules et la valeur redoutée est la même (20%). Dans ce cas, on considère le sens de la requête. Si c'est une requête de stockage, cela augmenterait l'état de charge du module choisi. Le premier module se 30 rapprocherait alors de la valeur redoutée alors que le deuxième module s'en éloignerait. On choisira alors de conserver le deuxième module. Le 3033452 11 raisonnement est le même en cas de requête de restitution, mais dans ce cas, on choisira de conserver le premier module. A l'issue de l'étape S1, le système 6 de contrôle global dispose donc de la combinaison optimisée des modules qui devront être utilisés pour répondre 5 à la requête PREQ. La dernière étape S2 consiste à déterminer la puissance P(i) qu'il conviendra d'allouer à chaque module Mi de la combinaison. Il s'agit ici de calculer pour chaque module M1 de la combinaison une contribution qui sera égale à sa puissance minimale de fonctionnement Pmin(i) 10 additionnée à une puissance proportionnelle à la marge de puissance M(i) offerte par le module M1 concerné. On rappelle que la marge de puissance d'un module désigne son rayon de possibilité de fonctionnement, autrement dit la différence entre ses puissances maximum et minimum de fonctionnement: M (i) = Pmax(i) Pmin(i) 15 M(i) = 0 pour un module M1 prioritaire. La partie additionnelle de puissance allouée à un module correspond donc au ratio entre la marge offerte par le module concerné et la marge totale offerte par l'ensemble des modules présents dans la combinaison retenue (ce ratio étant ensuite appliqué à la puissance « restante » da la requête, une fois 20 toutes les puissances minimales requises Pmin allouées). La formule d'allocation finale pour chaque module M, de la combinaison retenue peut donc s'exprimer sous la forme: P(i) = Pmin(i) + (M(i)/IM(i))* (PREQ IPrinin(i) ) Avec i représentatif des modules M1 retenus dans la combinaison. 25 Le principe d'allocation de puissance décrit ci-dessus et associé à l'architecture de la figure 1, dans laquelle chaque batterie peut être pilotée indépendamment, permet d'utiliser au maximum le potentiel de chaque batterie. 30 De plus, même en cas d'indisponibilité d'un module, en raison par 3033452 12 exemple d'une opération de maintenance sur une batterie, le système continue de fonctionner avec les batteries encore disponibles, en ré allouant les requêtes au mieux. Le système est en outre facilement évolutif. Ainsi, si les besoins de 5 stockage d'une installation évoluent et augmentent, il est aisé d'ajouter un module de stockage et de restitution supplémentaire, en conservant la même logique d'allocation. S'il s'avère nécessaire de changer une batterie dans un sous-système, la même logique d'allocation va tenir compte des limites communiquées par la nouvelle batterie, de manière à ajuster la répartition. 10 L'invention est applicable à tout système de stockage multi-batteries, indépendamment de leur provenance, et de sa destination. REVENDICATIONS1. Procédé d'allocation d'une requête de puissance PREQ à une pluralité de batteries (M1,...MN) connectées en parallèle, le procédé comportant : - une étape (Si) de détermination d'une combinaison de batteries, parmi ladite pluralité de batteries (M1,...MN), optimisée pour répondre à la requête de puissance en utilisant le plus grand nombre possible de batteries ; - une étape (S2) d'allocation d'un niveau de puissance à chacune des batteries de ladite combinaison optimisée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (S1) de détermination d'une combinaison de batteries optimisée détermine ladite combinaison à partir d'une puissance minimale Pmin(i) requise pour le fonctionnement associée à chaque batterie i. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape (Si) de détermination d'une combinaison de batteries optimisée détermine la combinaison comportant le plus grand nombre de batteries i pour laquelle la relation suivante est vérifiée : PREQ > Pmin(i) avec Pmin(i) la puissance minimale associée à chaque batterie i de la combinaison. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape (Si) de détermination d'une combinaison de batteries optimisée inclut, à partir d'une combinaison d'origine comportant l'ensemble des batteries i, de procéder successivement au retrait d'une batterie de la combinaison jusqu'à ce que la relation suivante soit vérifiée : PREQ > Pmin(i) 3033452 14 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les batteries sont retirées successivement par ordre décroissant de leur puissance minimale de fonctionnement associée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en 5 ce que l'étape (S1) de détermination d'une combinaison de batteries optimisée comporte une sous-étape préalable de priorisation par laquelle on impose qu'une ou plusieurs batteries, dites prioritaires, de la pluralité de batteries, fassent partie de la combinaison optimisée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on impose la 10 relation suivante pour chaque batterie i prioritaire : Pmin(i)=Pmax(i) dans laquelle Pmax(i) est la puissance maximale possible pour une batterie i. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que l'étape (S2) d'allocation d'un niveau de puissance à chacune des batteries de ladite combinaison optimisée comporte la détermination pour chaque batterie i de la combinaison, d'une puissance P(i) selon la relation : P(i) = Pmin(i) (M(1)/IM(i)) * (PREQ - IPmin(i) ) 20 dans laquelle M(i) est la marge de fonctionnement de la batterie i. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape préalable (Se) lors de laquelle on compare la requête de puissance PREQ à la puissance minimale requise pour le 25 fonctionnement des batteries (M1,...MN), 3033452 15 ladite étape préalable (So) incluant de déterminer si la relation suivante est vérifiée : PREQ > Min (Prnin(i)) avec Prnin(i) la puissance minimale requise pour le fonctionnement d'une batterie i, 5 ladite requête de puissance PREQ étant considérée comme non réalisable si ladite relation n'est pas vérifiée. 10.Système d'allocation d'une requête de puissance PREQ à une pluralité de batteries (M1,...MN) connectées en parallèle d'un système de stockage d'énergie électrique, comportant un système (6) de contrôle global apte 10 à: - déterminer une combinaison de batteries, parmi ladite pluralité de batteries (M1,...MN), optimisée pour répondre à la requête de puissance en utilisant le plus grand nombre possible de batteries ; - allouer un niveau de puissance à chacune des batteries de ladite 15 combinaison optimisée.